熱處理應(yīng)力及其影響

熱   應(yīng)   力

熱應(yīng)力是熱處理過程中，工件的表面與中心或薄的部位和厚的部位之間因加熱或冷卻速度的不同導(dǎo)致體積脹縮不均而產(chǎn)生的內(nèi)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。通常，當(dāng)冷卻速度愈快，含碳量或合金成分愈高，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。

組   織   應(yīng)   力

由相變引起的比體積變化的不等時(shí)性所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱作組織應(yīng)力，組織應(yīng)力又稱相變應(yīng)力。通常，組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后其比體積越大、各部位轉(zhuǎn)變的時(shí)間差越大，則組織應(yīng)力也越大。

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。

附   加   應(yīng)   力

工件在熱處理過程中，除了能夠形成熱應(yīng)力與組織應(yīng)力外，因工件表面與中心處組織的不均勻性以及工件內(nèi)部的彈性畸變不一致也能形成內(nèi)應(yīng)力，稱之為附加應(yīng)力。

例如：工件表層的增碳或者脫碳，表面淬火或局部淬火以及其他能夠?qū)е鹿ぜ砻婧椭行奶幗M織不均的因素，均能夠產(chǎn)生熱處理的附加應(yīng)力。

表面淬火或者局部淬火時(shí)形成的附加應(yīng)力，局部淬火或者表面淬火（如感應(yīng)淬火、火焰淬火和激光淬火等）時(shí)，僅在被淬火的部分形成馬氏體組織，沒有淬火的部分仍是原始組織，從而導(dǎo)致整個(gè)工件上比體積的差別。

滲碳淬火時(shí)形成的附加應(yīng)力滲碳工件淬火時(shí)，因其表層含碳量較高，內(nèi)部含碳量低（鋼材的原始含碳量），則表層與心部的相變溫度（即Ms點(diǎn)）不同（表層較心部的相變溫度低）。

殘   留   應(yīng)   力

熱處理時(shí)只要伴隨有相變過程，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力將同時(shí)產(chǎn)生。工件的最終應(yīng)力狀態(tài)取決于熱應(yīng)力、組織應(yīng)力及附加應(yīng)力之和。熱處理后最終保留下來的內(nèi)應(yīng)力，叫做殘留應(yīng)力。其分為殘留拉應(yīng)力（以“+”表示）與殘留壓應(yīng)力（以“－”表示）。

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，若在壓應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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。

總   結(jié)

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最低限度，甚至變有害為有利。

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。

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。

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。

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。

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。

綜上，做好熱處理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要一支高素質(zhì)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，從原材料抓起，牢固樹立質(zhì)量第一的理念，重視理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)，采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，積極應(yīng)用并推廣國(guó)際最新標(biāo)準(zhǔn)，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袠I(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展信息化的熱處理智能技術(shù)，為機(jī)械工業(yè)的騰飛發(fā)揮熱處理人的光和熱。