淬火內(nèi)應(yīng)力

介紹

熱應(yīng)力和組織應(yīng)力 材料按其熱膨脹規(guī)律，在冷卻時發(fā)生收縮。相鄰兩部位降溫速度不同，導(dǎo)致冷卻過程的任-時刻比容的差異，相互產(chǎn)生應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。馬氏體的比容大于奧氏體，在馬氏體轉(zhuǎn)變時，隨馬氏體量增多，工件發(fā)生膨脹。相鄰部位冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變點Ms的時間不同，或者在Ms以下冷卻速度不同，由于鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的變溫轉(zhuǎn)變特性(見馬氏體轉(zhuǎn)變)也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，稱為組織應(yīng)力。熱應(yīng)力和組織應(yīng)力方向正好相反。在Ms以上，僅存在熱應(yīng)力機(jī)制，在Ms以下兩種機(jī)制同時發(fā)生，但由于馬氏體相變引起的線膨脹量大于熱膨脹(約-個數(shù)量級)，所以Ms點以下組織應(yīng)力機(jī)制起主要作用。工件淬火冷卻時，外層冷卻快，心部慢；薄壁部位冷卻快，厚壁部位冷卻慢；冷卻介質(zhì)與工件的相對流動情況也影響冷卻的均勻性；冷卻烈度越大，不均勻性越大。上述種種，加上高低溫(Ms以上和以下)階段兩種內(nèi)應(yīng)力機(jī)制，使工件淬火冷卻時內(nèi)應(yīng)力的形成和發(fā)展極其復(fù)雜。

當(dāng)應(yīng)力超過屈服極限時，將發(fā)生局部塑性變形。因而，最高應(yīng)力值取決于受力部位的屈服極限。多余的尺寸差異將轉(zhuǎn)化為塑性變形，如材料的塑性不良，則內(nèi)應(yīng)力將迅速超過斷裂強(qiáng)度而導(dǎo)致開裂。Ms以上，由于溫度高及鋼處于奧氏體狀態(tài)，屈服強(qiáng)度低，塑性良好，熱應(yīng)力多表現(xiàn)為工件的變形；Ms以下馬氏體量隨溫降而增多，塑性迅速下降，組織應(yīng)力可達(dá)很高值，且可導(dǎo)致工件開裂。

最簡模型。設(shè)有橫截面為形狀對稱的棒狀工件，按軸線(點劃線)分成上下(I、Ⅱ，尺寸相同)兩半部，施以不同速度的冷卻，如Ⅱ相當(dāng)于均勻地噴液淬冷，而I相當(dāng)于空冷；設(shè)I、Ⅱ兩部分在整個冷卻過程中內(nèi)部溫度是均勻的，降溫曲線。研究I、Ⅱ兩部分在全過程中軸向受力的變化。

熱應(yīng)力及變形 內(nèi)應(yīng)力的變化可分為3個階段：(1)從開始冷卻τ0到I、Ⅱ溫差達(dá)到最大的時間τ1。Ⅱ的先期收縮使其本身受張應(yīng)力，同時I受壓應(yīng)力，由τ0至τ1逐漸增大。由于I、Ⅱ截面積相同，σI和σⅡ曲線是對稱的。特別要注意到，在τ1之前，對于鋼鐵等屈服強(qiáng)度甌不高的材料，兩部分都將發(fā)生軸向的塑性變形，Ⅱ為拉伸，I為壓縮，在τ1達(dá)到最大值。(2)從τ1至τ2(零應(yīng)力點)。Ⅱ的降溫速度減慢，I則增快，使應(yīng)力逐漸松弛。零應(yīng)力點是這樣-種狀態(tài)：溫度差所對應(yīng)的尺寸差，正好被Ⅱ的伸長(彈、塑變形)和I的縮短所抵消。(3)從τ2至τ3(室溫)。I的降溫速度繼續(xù)大于Ⅱ，使τ1～τ2間的冷縮特征延續(xù)下來。由于起點是零應(yīng)力狀態(tài)，從-開始就使I進(jìn)入張應(yīng)力狀態(tài)，Ⅱ為壓應(yīng)力態(tài)，彈性和塑性變形亦反向。過程-直進(jìn)行到I、Ⅱ都降到室溫，終態(tài)的應(yīng)力值與材料在室溫下的屈服強(qiáng)度相對應(yīng)，稱為殘留熱應(yīng)力。

最簡模型的熱應(yīng)力彎曲變形，在τ1狀態(tài)，曲率中心在Ⅱ方(向I方弓出)。如果全過程只有彈性變形，無塑性變形，則零應(yīng)力點將移至τ3(均溫點)，并且彎曲量逐漸減少至零。非均溫時零應(yīng)力點的出現(xiàn)正是τ0～τ1間發(fā)生了塑性變形的反映。I的塑性壓縮和Ⅱ的塑性伸長，導(dǎo)致冷卻的后期產(chǎn)生彎曲的反向：向冷卻快的Ⅱ方弓出。類似的現(xiàn)象在生產(chǎn)中是常見的。

組織應(yīng)力及變形 如果把τ0點定為Ms溫度，則只需將σ1、σ2符號互相掉換，就是組織應(yīng)力曲線。簡言之，組織應(yīng)力機(jī)制使冷卻快的-側(cè)最終受張應(yīng)力，最終的彎曲為向冷速慢的一側(cè)弓出。

檢測實例是對中等尺寸的短棒狀工件經(jīng)整體浸入冷卻介質(zhì)激冷(到O℃)，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的實測結(jié)果。為了獲得單-的熱應(yīng)力或組織應(yīng)力，設(shè)計了特殊的加熱、冷卻工藝。試件在浸冷時，心部則相當(dāng)于I。熱應(yīng)力測定結(jié)果相-致。運用相似的推理，不難理解切向和徑向的殘留熱應(yīng)力形成機(jī)制。殘留組織應(yīng)力測定結(jié)果亦證明了前面關(guān)于組織應(yīng)力與熱應(yīng)力相反的推斷。2100433B

金屬電沉積得到的鍍層內(nèi)部通常處于應(yīng)力狀態(tài)之中，這種應(yīng)力是沒有外力和溫度場存在下出現(xiàn)在沉積層內(nèi)部的應(yīng)變來，稱為內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力分為張應(yīng)力和壓應(yīng)力，前者通常為正值，后者通常為負(fù)值。2100433B

齒輪表面淬火后表層有較大壓縮內(nèi)應(yīng)力，工件抗疲勞破斷能力較高，硬度較高，不易磨損和變形。