淬火應力與裂紋

2012-02-27

　　淬火殘余力是指工件經淬火后Z終殘存下來的應力，對工件的形狀、尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時，便引起工件的變形，超過材料的強度極限時就會使工件開裂，這是它有害的一面，應當減少和消除。
　　但在一定條件下控制應力使之合理分布，就可以提高零件的機械性能和使用壽命，變害為利。分析鋼在淬火過程中應力的分布和變化規律，使之合理分布對提高產品質量有著深遠的實際意義。關于表層殘余壓應力的合理分布對零件使用壽命的影響已經引起了人們的廣泛重視。
　　一、鋼的淬火應力
　　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間的不一致，形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力，即熱應力。在熱應力的作用下，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，當冷卻結束時，由于心部Z后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下Z終使工件表層受壓而心部受拉。
　　這種現象受到冷卻速度、材料成分和工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大，Z后形成的殘余應力就愈大。另一方面鋼在淬火過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉變時，比容的增大會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生組織應力。組織應力變化的Z終結果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與熱應力相反。組織應力的大小與工件在馬氏體相變區的冷卻速度、形狀、材料的化學成分等因素有關。
　　實踐證明，任何工件在淬火過程中的相變，熱應力和組織應力都會發生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的，在整個冷卻過程中，熱應力與組織應力綜合作用的結果，就是工件中實際存在的應力。
　　這兩種應力綜合作用的結果是十分復雜的，受著許多因素的影響，如成分、形狀、工藝參數等。就其發展過程來說只有兩種類型，即熱應力和組織應力，作用方向相反時二者抵消，作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加，兩個應力應有一個占主導因素，熱應力占主導地位時的作用結果是工件心部受拉，表面受壓。組織應力占主導地位時的作用結果是工件心部受壓表面受拉。
　　二、應力對淬火裂紋的影響
　　存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內)，對淬火裂紋的產生都有促進作用，但只有在拉應力場內(尤其是在Z大拉應力下)才會表現出來，若在壓應力場內并無促裂作用。
　　淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素，也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度，并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。
　　就殘余應力而論，這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值，故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。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，雖然實際冷卻速度更緩，開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢，熱應力減小，組織應力隨尺寸的增大而增加，Z后形成以組織應力為主的拉應力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀念大相徑庭。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。
　　避免淬裂的原則是設法盡量減小截面內外馬氏體轉變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉變區內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只能產生在非淬透性件中的裂紋，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(包括馬氏體轉變區內)本身，而是淬火件局部位置(由幾何結構決定)，在高溫臨界溫度區內的冷卻速度顯著減緩，因而沒有淬硬所致。產生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈，是由以熱應力為主要成份的殘余拉應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往外擴展而造成的。
　　為了避免這類裂紋產生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內的快速冷卻，目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織；而從內應力的角度來看，這時快冷有害無益。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，從而達到減小應力值和Z終抑制淬裂的目的。

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