熱處理應力及其影響

熱   應   力

熱應力是熱處理過程中，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致體積脹縮不均而產生的內應力。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，由于心部最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最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現象受到冷卻速度、材料成分和熱處理工藝等因素的影響。通常，當冷卻速度愈快，含碳量或合金成分愈高，冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應力就愈大。

組   織   應   力

由相變引起的比體積變化的不等時性所產生的內應力稱作組織應力，組織應力又稱相變應力。通常，組織結構轉變前后其比體積越大、各部位轉變的時間差越大，則組織應力也越大。

實踐證明，任何工件在熱處理過程中，只要有相變，熱應力和組織應力都會發(fā)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。

附   加   應   力

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

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導致工件表面和中心處組織不均的因素，均能夠產生熱處理的附加應力。

表面淬火或者局部淬火時形成的附加應力，局部淬火或者表面淬火（如感應淬火、火焰淬火和激光淬火等）時，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，從而導致整個工件上比體積的差別。

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

殘   留   應   力

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

熱處理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最大拉應力下)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予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。

總   結

熱處理過程中產生的應力是不可避免的，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。

當熱應力占主導地位時應力分布為心部受拉表面受壓，當組織應力占主導地時應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變溫度（Ms）點下降，可導致淬火時馬氏體轉變順序顛倒，心部首先發(fā)生馬氏體轉變而后才波及到表面，可獲得表層殘余壓應力而提高抗疲勞強度。

滲碳后進行等溫淬火可保證心部馬氏體轉變充分進行以后，表層組織轉變才進行，使工件獲得比直接淬火更大的表層殘余壓應力，可進一步提高滲碳件的疲勞強度。

復合表面強化工藝可使表層殘余壓應力分布更合理，可明顯提高工件的疲勞強度。

綜上，做好熱處理是一項系統(tǒng)工程，需要一支高素質的專業(yè)團隊，從原材料抓起，牢固樹立質量第一的理念，重視理論對實踐的指導，采用先進的工藝技術，積極應用并推廣國際最新標準，制定嚴謹的行業(yè)內控標準，發(fā)展信息化的熱處理智能技術，為機械工業(yè)的騰飛發(fā)揮熱處理人的光和熱。