热处置应力及其影响

　　热处置残余力是指工件经热处置后终究 残余 下来的应力,对工件的外形 ,&127;尺寸和机能 都有极其 主要 的影响。当它跨越 材料的屈就 强度时,&127;便引发 工件的变形,跨越 材料的强度极限时就会使工件开裂,这是它有害的一面,该当 削减 和消弭 。但在必然 前提 下节制 应力使之公道 散布 ,便可 以提高零件的机械机能 和利用 寿命,变有害为有益 。阐发钢在热处置进程 中应力的散布 和转变 纪律 ,使之公道 散布 对提高产物 质量有着深远的现实 意义。例如关于表层残余压应力的公道 散布 对零件利用 寿命的影响问题已 引发 了人们的普遍 正视 。

　　1、 钢的热处置应力

　　工件在加热和冷却进程 中,因为 表层和心部的冷却速度和时候 的纷歧 致,构成 温差，就会致使 体积膨胀和缩短 不均而发生 应力,即热应力。在热应力的感化 下,因为 表层最先 温度低于心部,缩短 也年夜 于心部而使心部受拉,当冷却竣事 时，因为 心部最后冷却体积缩短 不克不及 自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的感化 下终究 使工件表层受压而心部受拉。这类 现象遭到 冷却速度,材料成份 和热处置工艺等身分 的影响。当冷却速度愈快,含碳量和合金成份 愈高,冷却进程 中在热应力感化 下发生 的不平均 塑性变形愈年夜 ,最后构成 的残余应力就愈年夜 。另外一 方面钢在热处置进程 中因为 组织的转变 即奥氏体向马氏体转变时,因比容的增年夜 会陪伴工件体积的膨胀,&127;工件各部位前后 相变，造成体积终年 夜 纷歧 致而发生 组织应力。组织应力转变 的终究 了局是表层受拉应力,心部受压应力,正好 与热应力相反。组织应力的年夜 小与工件在马氏体相变区的冷却速度,外形 ，材料的化学成份 等身分 有关。

　　实践证实 ,任何工件在热处置进程 中,&127;只要有相变,热应力和组织应力城市发生。&127;只不外 热应力在组织转变之前 就已 发生 了，而组织应力则是在组织转变进程 中发生 的,在全部 冷却进程 中,热应力与组织应力综合感化 的了局,&127;就是工件中现实 存在的应力。这两种应力综合感化 的了局是十分复杂的,受着很多 身分 的影响,如成份 、外形 、热处置工艺等。就其成长 进程 来讲 只有两种类型,即热应力和组织应力,感化 偏向 相反时两者 抵消,感化 偏向 沟通 时两者 互相 迭加。不论是 互相 抵消还是互相 迭加,两个应力应有一个占主导身分 ,热应力占主导地位时的感化 了局是工件心部受拉,外观受压。&127;组织应力占主导地位时的感化 了局是工件心部受压外观受拉。

　　2、 热处置应力对淬火裂纹的影响

　　存在于淬火件分歧 部位上能引发 应力集中的身分 (包罗冶金缺点 在内),对淬火裂纹的发生 都有增进 感化 ,但只有在拉应力场内(&127;特别 是在最年夜 拉应力下)才会施展阐发出来,&127;若在压应力场内并没有 促裂感化 。

　　淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决意 残余应力的主要 身分 ,也是一个能对淬火裂纹赋于主要 甚至 决意 性影响的身分 。为了到达 淬火的目标 ，平日 必需 加速零件在高温段内的冷却速度,并使之跨越 钢的临界淬火冷却速度才能获得 马氏体组织。就残余应力而论,如许 做因为 能增添 抵消组织应力感化 的热应力值,故能削减 工件外观上的拉应力而到达 按捺 纵裂的目标 。其结果 将随高温冷却速度的加速 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 现实 冷却速度更缓,开裂的危险性却反而愈年夜 。这一切都是因为 这类钢的热应力随尺寸的增年夜 现实 冷却速度减慢,热应力减小,&127;组织应力随尺寸的增年夜 而增添 ,最后构成 以组织应力为主的拉应力感化 在工件外观的感化 特点酿成的 。并与冷却愈慢应力愈小的传统观念年夜 相径庭。对这类钢件而言,在正常前提 下淬火的高淬透性钢件中只能构成 纵裂。避免淬裂的靠得住 原则是想法 尽可能 减小截面表里 马氏体转变的不等时性。仅仅实施马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的构成 。一般情形 下只能发生 在非淬透性件中的弧裂,虽以整体快速冷却为需要 的构成 前提 ，可是它的真正构成 缘由 ,却不在快速冷却(包罗马氏体转变区内)自己 ,而是淬火件局部位置(由几何构造 决意 ),在高温临界温度区内的冷却速度显著减缓,因此 没有淬硬而至 &127;。发生 在年夜 型非淬透性件中的横断和纵劈,是由以热应力为主要成份的残余拉应力感化 在淬火件中间 &127;,而在淬火件末淬硬的截面中间 处,起首 构成 裂纹并由内往外扩大 而酿成的 。为了不 这类裂纹发生 ，常常 利用 水--油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却,目标 仅仅在于确保外层金属获得 马氏体组织,&127;而从内应力的角度来看,这时候 快冷有害无益。其次,冷却后期缓冷的目标 ,主要不是为了下降 马氏体相变的膨胀速度和组织应力值,而在于尽可能 减小截面温差和截面中间 部位金属的缩短 速度,从而到达 减小应力值和终究 按捺 淬裂的目标 。

　　3、 残余压应力对工件的影响

　　渗碳外观强化作为提高工件的疲惫 强度的方式 运用 得很普遍 的缘由 。一方面是因为 它能有用 的增添 工件外观的强度和硬度，提高工件的耐磨性，另外一 方面是渗碳能有用 的改良 工件的应力散布 ,在工件外观层获得较年夜 的残余压应力,&127;提高工件的疲惫 强度。若是在渗碳后再进行等温淬火将会增添 表层残余压应力,使疲惫 强度获得 进一步的提高。有人对35SiMn2MoV钢渗碳落后 行等温淬火与渗碳后淬火低温回火的残余应力进行过测试其了局如表1

热处置工艺

残余应力值（kg/mm2)

渗碳后880-900度盐浴加热，260度等温40分钟

-65

渗碳后880-900度盐浴加热淬火，260度等温90分钟

-18

渗碳后880-900度盐浴加热，260度等温40分钟，260度回火90分钟

-38

　　表1.35SiMn2MoV钢渗碳等温淬火与渗碳低温回火后的残余应力值

　　从表1的测试了局可以看出等温淬火比平日 的淬火低温回火工艺具有更高的外观残余压应力。等温淬火后即便 进行低温回火,其外观残余压应力，也比淬火后低温回火高。是以 可以得出如许 一个结论,即渗碳后等温淬火比平日 的渗碳淬火低温回火获得的外观残余压应力更高,从外观层残余压应力对疲惫 抗力的有益 影响的概念 来看，渗碳等温淬火工艺是提高渗碳件疲惫 强度的有用 方式 。渗碳淬火工艺为甚么 能获得表层残余压应力?渗碳等温淬火为甚么 能获得更年夜 的表层残余压应力?其主要缘由 有两个：一个缘由 是表层高碳马氏体比容比心部低碳马氏体的比容年夜 ,淬火后表层体积膨胀年夜 ,而心部低碳马氏体体积膨胀小,制约了表层的自由膨胀,&127;造成表层受压心部受拉的应力状况 。而另外一 个更主要 的缘由 是高碳过冷奥氏体向马氏体转变的最先 转变温度（Ms）,比心部含碳量低的过冷奥氏体向马氏体转变的最先 温度（Ms）低。这就是说在淬火进程 中常常 是心部起首 发生 马氏体转变引发 心部体积膨胀,并获得强化,而外观还末冷却到其对应的马氏体最先 转变点（Ms）,故仍处于过冷奥氏体状况 ,&127;具有杰出的塑性,不会对心部马氏体转变的体积膨胀起严重的压抑 感化 。跟着 淬火冷却温度的接续下降使表层温度降到该处的（Ms）点以下,表层发生 马氏体转变,引发 表层体积的膨胀。但心部此时早已转变成 马氏体而强化,所以心部对表层的体积膨胀将会起很年夜 的压抑 感化 ,使表层获得残余压应力。&127;而在渗碳落后 行等温淬火时，当等温温度在渗碳层的马氏体最先 转变温度（Ms）以上,心部的马氏体最先 转变温度（&127;Ms）点以下的恰当 温度等温淬火,比陆续冷却淬火更能包管 这类 转变的前后 挨次的特点(&127;即包管 表层马氏体转变仅仅发生 于等温后的冷却进程 中)。&127;固然 渗碳后等温淬火的等温温度和等温时候 对表层残余应力的年夜 小有很年夜 的影响。

　　可见外观残余应力状况 对渗碳等温淬火的等温温度是很敏感的。不但 等温温度对外观残余压应力状况 有影响,并且 等温时候 也有必然 的影响。有人对35SiMn2V钢在310℃等温2分钟,10分钟,90分钟的残余应力进行过测试。2分钟后残余压应力为-20kg/mm,10分钟后为-60kg/mm,60分钟后为-80kg/mm,60分钟后再耽误 等温时候 残余应力转变 不年夜 。

　　从上面的计议表白,渗碳层与心部马氏体转变的前后 挨次对表层残余应力的年夜 小有主要 影响。渗碳后的等温淬火对进一步提高零件的疲惫 寿命具有普遍意义。另外 能下降 表层马氏体最先 转变温度（Ms）点的外观化学热处置如渗碳、氮化、氰化等都为造成表层残余压应力供给了前提 ,如高碳钢的氮化--淬火工艺,因为 表层,&127;氮含量的提高而下降 了表层马氏体最先 转变点（Ms）,淬火后获得了较高的表层残余压应力使疲惫 寿命获得 提高。又如氰化工艺常常 比渗碳具有更高的疲惫 强度和利用 寿命,也是因氮含量的增添 可获得比渗碳更高的外观残余压应力之故。另外 ,&127;从获得表层残余压应力的公道 散布 的概念 来看,单一的外观强化工艺不轻易 获得抱负的表层残余压应力散布 ,而复合的外观强化工艺则可以有用 的改良 表层残余应力的散布 。如渗碳淬火的残余应力一般在外观压应力较低,最年夜 压应力则泛起 在离外观必然 深度处,并且 残余压力层较厚。氮化后的外观残余压应力很高,但残余压应力层很溥,往里急剧下降。若是采取 渗碳--&127;氮化复合强化工艺,则可获得更公道 的应力散布 状况 。&127;因另外 观复合强化工艺,如渗碳--氮化,渗碳--&127;高频淬火等,都是值得正视 的偏向 。

　　按照上述计议可得出以下结论;

　　1、热处置进程 中发生 的应力是不成避免的,并且 常常 是有害的&127;。但我们可以节制 热处置工艺尽可能 使应力散布 公道 ,便可 将其有害水平 下降 到最低限度,甚至变有害为有益 。

　　2、当热应力占主导地位时应力散布 为心部受拉外观受压,当组织应力占主导地时应力散布 为心部受压外观受拉。

　　3、在高淬透性钢件中易构成 纵裂,在非淬透性工件中常常 构成 弧裂,在年夜 型非淬透工件中轻易 构成 横断和纵劈。

　　4、渗碳使表层马氏体最先 转变温度（Ms）点下降,可导至淬火时马氏体转变挨次倒置 ,心部起首 发生马氏体转变尔后 才波及到外观,可获得表层残余压应力而提高抗疲惫 强度。

　　5、渗碳落后 行等温淬火可包管 心部马氏体转变充实进行今后 ,表层组织转变才进行。&127;使工件获得比直接淬火更年夜 的表层残余压应力,可进一步提高渗碳件的疲惫 强度。

　　6、复合外观强化工艺可以使 表层残余压应力散布 更公道 ,可较着提高工件的疲惫 强度。