《钢的热处理内应力、变形和裂纹》的探讨（2）

伯龙马

   
     如题
   《钢的热处理内应力、变形和裂纹》的探讨（2）

       2. 影响热处理内应力的主要因素
       影响热处理内应力的因素很多，但主要有以下几个方面。

     （1）化学成分的影响
       1）碳含量（质量分数，%）  在钢的化学成分中，碳是影响热处理应力的主要元素之一。随含碳量增加，淬火时马氏体相变比容随着增大。不言而喻，淬火的组织应力增大。相应抵消一部分冷却过程产生的热应力，即此时将以组织应力状态为主。相反，低碳钢急冷淬火时因组织应力较小，则以热应力状态为主。
2）合金元素含量（质量分数，%）  当钢中含一定的合金元素时，将改变其许多特性，如钢的Ms点位置和淬透性以及S-曲线形状等。这些变化对热处理内应力影响也很大。实践表明，这种影响不仅是应力的大小，而且影响其分布特点。

     （2）工件尺寸和形状对热处理应力的影响
      1）工件尺寸  钢件直径大小对淬火应力的影响如图1-2所示。从图中可以看出，用50Cr钢制作的不同尺寸圆柱形试样，经850℃加热后在水中淬火，其残余应力与直径大小的关系。在全淬透时，淬火应力呈现以热应力为主的分布规律，而且直径愈大，表层的压应力愈大。
       2）工件形状  内孔直径很小的圆套筒，淬火应力的分布为内、外表面呈压应力，中间层为拉应力。内孔直径稍大时，随壁厚的减小对热应力的影响急剧减小，从而残余应力的分布是内、外表面呈拉应力，中间层为压应力。但是，内孔冷却效果较差时，内表面仍会呈拉应力状态。内径进一步增大、壁厚进一步减小时，则使组织应力增加，热应力减弱，总的残余应力趋于降低。
当工件结构有尖角或截面突变情况时，内应力的分布往往集中在转角处或尺寸突变的
过度区。几种典型应力集中分布情况，如图1-3所示。

                                         (略)

                       图1-2  直径大小对50Cr钢制圆柱试样
                                  淬火残余应力的影响
               1-直径26mm  2-直径18mm  3-直径10mm
                           注：试样8500C加热后水淬

                                          (略)

                        图1-3   典型零件应力集中分布情况

       (3)热处理工艺参数对热处理应力的影响
      1) 加热温度  如果加热温度低于临界点时，冷却后只产生热应力；当加热温度超过临界点某温度淬火后，则既产生热应力也产生组织应力。当加热温度进一步提高时，这些应力亦增大，如图1-4所示。从图中看出，淬火温度愈高，淬火应力愈大。但径向应力变化较小，切向应力和轴向应力的变化较大。
       2) 加热速度  加热速度只影响其热应力的大小。对组织应力有间接影响，即高温加热将影响其化学成分的均匀化，有利于减小组织应力；但晶粒度长大会增加淬火后的组织应力。因此，选择不会使晶粒度长大的高温加热，是较理想的淬火温度。
      3) 冷却条件  生产现场最常使用的冷却介质是油和水。如图1-5所示，中碳合金钢50CrMo，经水和油分别淬火后，水中淬火的表层为压应力（图中实线）；而油中淬火的表层为拉应力（图中虚线）。总的来说，淬火冷却速度愈大，产生的内应力亦愈大。
      4) 表面碳量  工件表面层碳浓度的改变主要是加热时脱碳或渗碳。图1-6所示为表面脱碳的高碳钢（直径Φ18mm的圆柱试样）淬火后的应力分布情况。从图中看出，由于脱碳的表面层淬火后低碳马氏体比容较里层未脱碳的高碳马氏体比容小的缘故，表面呈拉应力状态，里层为压应力状态。表面碳浓度增加对内应力的影响，恰恰与脱碳的影响相反，即表面呈现压应力，里层呈现拉压力。
       5) 表面淬火  高频表面加热淬火后，表层伴随马氏体转变产生组织应力，而表层以里受热效应影响产生热应力。因此，高频表面加热淬火后的内应力也是热应力、组织应力综合作用的结果。图1-7所示为高频表面加热淬火的内应力分布示意图
从图1-8可以看出，球墨铸铁高频表面加热淬火后，构成表面为压应力、中间为拉应力且有峰值，而心部则应力甚微的分布特点。
研究证明，随硬化层深度增加，最大拉应力峰值向中心移动。火焰表面加热淬火的内应力与高频表面加热淬火的内应力基本相同。
                                       
                                                     (略)

                        图1-4        钢的加热温度与最大应力间的关系。
                                  a)ω（c）=0.025%  b) ω（c）=0.3%
               1—硬度  2—轴向应力  3—切向应力4—径向应力  5—切向和径向应力
                                    注：试样直径为Φ50mm，水中淬火

                                                   (略)

                        图1-5  50CrMo钢圆柱试样经水和油分别淬火后
                                            切应力的分布比较

                                                 (略)

                        图1-6  表面脱碳的高碳钢（Φ18mm圆柱试样）
                                            淬火后的应力分布
                              1—ω（C）=0.7%的碳钢900℃水淬
                   2—ω（C）=0.5%，ω（Cr）=1.0%的钢850℃油淬

                                               (略)

                          图1-7        高频表面加热淬火时的内应力分布
                           a）热应力  b）组织应力  c）残余应力

                                               (略)

                       图1-8 球墨铸铁圆柱试样高频淬火时的应力分布
                                [ω（C）= 3.38%；ω（Si ）2.27%]