熱處理應(yīng)力及其影響分析，熱處理對應(yīng)力腐蝕開裂的影響
發(fā)布于：08-14 文章來源：xianjichina.com
熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來的應(yīng)力，對工件的形狀、尺寸和性能都有極為重要的影響。當(dāng)它超過材料的屈服強(qiáng)度時，便引起工件的變形，超過材料的強(qiáng)度極限時就會使工件開裂，這是它有害的一面，應(yīng)當(dāng)減少和消除。但在一定條件下控制應(yīng)力使之合理分布，就可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命，變有害為有利。
分析鋼在熱處理過程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律，使之合理分布對提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的實際意義，例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經(jīng)引起了人們的廣泛重視。
鋼的熱處理應(yīng)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(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(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，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，當(dāng)冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，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。
實踐證明，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，就是工件中實際存在的應(yīng)力。
Fe-Fe3C相圖
熱處理應(yīng)力對淬火裂紋的影響
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))，對淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進(jìn)作用，但只有在拉應(yīng)力場內(nèi)尤其是在最大拉應(yīng)力下)才會表現(xiàn)出來，若在壓應(yīng)力場內(nèi)并無促裂作用。
淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素，也是一個能對淬火裂紋賦于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，雖然實際冷卻速度更緩，開裂的危險性卻反而愈大。
淬火裂紋
熱處理對應(yīng)力腐蝕開裂的影響
應(yīng)力腐蝕開裂是最常見的一種腐蝕狀態(tài)。影響應(yīng)力腐蝕開裂的因素包括冶金、受力狀態(tài)和環(huán)境三個方面。一般認(rèn)為拉應(yīng)力的存在是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。因此，若表面殘余拉應(yīng)力消除不徹底或因熱處理不當(dāng)在工件表面產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，都將導(dǎo)致工件應(yīng)力腐蝕抗力的下降。不均勻的微觀組織容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。敏化處理的不銹鋼容易產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂，圖1是熱處理對 18-8 型不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的影響，經(jīng)過650℃敏化處理，應(yīng)力腐蝕抗力急劇下降。
圖1 敏化對18-8型不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的影響
（低應(yīng)變速度法；實驗溫度286℃；應(yīng)變速率ε=8×10EXP-6）
強(qiáng)度強(qiáng)烈地影響馬氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂行為。淬火狀態(tài)下其應(yīng)力腐蝕開裂的傾向很大，隨著回火溫度的升高，應(yīng)力腐蝕抗力顯著得到改善，但是對于Cr12型馬氏體不銹鋼，在400-550℃溫度區(qū)間回火時，由于M23C6型碳化物的析出造成基體局部貧鉻，會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕抗力低谷。見圖2 。
圖2 回火溫度對Cr12型不銹鋼屈
服強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響
1-外加應(yīng)力為50%σ0.2
2-外加應(yīng)力為75%σ0.2
熱處理應(yīng)力及其分類
熱處理應(yīng)力主要可以分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種，工件的熱處理畸變是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。熱處理應(yīng)力在工件內(nèi)存在的狀態(tài)及其引起的作用是有所不同的。因加熱或冷卻不均勻而造成的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力；因組織轉(zhuǎn)變的不等時性所造成的內(nèi)應(yīng)力稱為組織應(yīng)力。另外，因工件內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變的不均勻而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為附加應(yīng)力。熱處理后工件的最終應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小取決于熱應(yīng)力、組織應(yīng)力及附加應(yīng)力之和，稱之為殘留應(yīng)力。
工件在熱處理時形成的畸變與裂紋，就是這些內(nèi)應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。同時，在熱處理應(yīng)力的作用下，有時會使工件的某一部分處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而另一部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有時可能使工件內(nèi)部各部分的應(yīng)力狀態(tài)分布十分復(fù)雜。對此，應(yīng)根據(jù)實際情況加以分析。
1.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。通常，加熱或冷卻速度越快，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大。
2.組織應(yīng)力
由相變引起的比體積變化的不等時性所產(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)變的時間差越大，則組織應(yīng)力也越大。
3.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)生熱處理的附近應(yīng)力。
（1）表面淬火或者局部淬火時形成的附加應(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，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)致整個工件上比體積的差別。此時，因工件表層馬氏體使比體積增大引起的膨脹受到中心部分的限制，使表面受到壓應(yīng)力，中心受到拉應(yīng)力的作用。
（2）滲碳淬火時形成的附加應(yīng)力 滲碳工件淬火時，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）不同（表層較心部的相變溫度低）。因此，內(nèi)部首先發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而膨脹。這時表層組織仍為奧氏體，仍處于塑性狀態(tài)。初期表面受到拉應(yīng)力的作用，心部受到壓應(yīng)力作用。因表層的塑性極好，在拉應(yīng)力作用下易發(fā)生塑性畸變而導(dǎo)致應(yīng)力松弛，即其應(yīng)力值有所減小。隨后，待高碳的表層也發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而膨脹時，表層與中心的應(yīng)力正好相反，即表面是壓應(yīng)力，心部是拉應(yīng)力。
4.殘留應(yīng)力
熱處理時只要伴隨有相變過程，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力將同時產(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）。
總結(jié)
1.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。
2.當(dāng)熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時應(yīng)力分布為心部受拉表面受壓，當(dāng)組織應(yīng)力占主導(dǎo)地時應(yīng)力分布為心部受壓表面受拉。
3.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。
4.滲碳使表層馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點下降，可導(dǎo)致淬火時馬氏體轉(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。
5.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。
6.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。