深入剖析熱處理應(yīng)力及其影響

熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后終殘存下來的應(yīng)力，對工件的形狀、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(qiáng)度時(shí)，便引起工件的變形，超過材料的強(qiáng)度極*就會(huì)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(jī)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(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(shí)間的不一致形成溫差，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，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(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，造成體積長大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的終結(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(shí)踐證明，任何工件在熱處理過程中，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(gè)冷卻過程中，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(shí)二者抵消，作用方向相同時(shí)二者相互疊加。不管是相互抵消還是相互疊加，兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)有一個(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(jìn)作用，但只有在拉應(yīng)力場內(nèi)（尤其是在大拉應(yīng)力下)才會(huì)表現(xiàn)出來，若在壓應(yīng)力場內(nèi)并無促裂作用。

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)能對淬火裂紋賦予重要乃至決定性影響的因素。為了達(dá)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(dá)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(shí)際冷卻速度更緩，開裂的危險(xiǎn)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(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，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(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。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，首先形成裂紋并由內(nèi)往外擴(kuò)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(shí)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，而從內(nèi)應(yīng)力的角度來看，這時(shí)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(dá)到減小應(yīng)力值和終抑制淬裂的目的。

三、殘余壓應(yīng)力對工件的影響

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35SiMn2MoV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)行過測試：

從上表的測試結(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)力對疲勞抗力的有利影響的觀點(diǎn)來看，滲碳等溫淬火工藝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冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms），比心不含碳量低的過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度（Ms）低。這就是說在淬火過程中往往是心部首先產(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應(yīng)的馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms），故仍處于過冷奧氏體狀態(tài)，&127;具有良好的塑性，不會(huì)對心部馬氏體轉(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)行等溫淬火時(shí)，當(dāng)?shù)葴販囟仍跐B碳層的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）以上，心部的馬氏體開始轉(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程中)。當(dāng)然滲碳后等溫淬火的等溫溫度和等溫時(shí)間對表層殘余應(yīng)力的大小有很大的影響。有人對35SiMn2MoV鋼試樣滲碳后在260℃和320℃等溫40分鐘后的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行過測試，發(fā)現(xiàn)在260℃等溫比在320℃等溫的表面殘余應(yīng)力要高出一倍多，可見表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對滲碳等溫淬火的等溫溫度是很敏感的。不僅等溫溫度對表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)有影響，而且等溫時(shí)間也有一定的影響。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(jìn)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分鐘后再延長等溫時(shí)間殘余應(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韺託堄鄳?yīng)力的大小有重要影響。滲碳后的等溫淬火對進(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)力的合理分布的觀點(diǎn)來看，單一的表面強(qiáng)化工藝不容易獲得理想的表層殘余壓應(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應(yīng)力的分布。如滲碳淬火的殘余應(yīng)力一般在表面壓應(yīng)力較低，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。

四、結(jié)論

1、熱處理過程中產(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和縱劈。

4、滲碳使表層馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點(diǎn)下降，可導(dǎo)致淬火時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變順序顛倒，心部首先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而后才波及到表面，可獲得表層殘余壓應(yīng)力而提高抗疲勞強(qiáng)度。

5、滲碳后進(jìn)行等溫淬火可保證心部馬氏體轉(zhuǎn)變充分進(jìn)行以后，表層組織轉(zhuǎn)變才進(jìn)行。使工件獲得比直接淬火更大的表層殘余壓應(yīng)力，可進(jìn)一步提高滲碳件的疲勞強(qiáng)度。

6、復(fù)合表面強(qiáng)化工藝可使表層殘余壓應(yīng)力分布更合理，可明顯提高工件的疲勞強(qiáng)度。