热处理淬火后的残余应力优化

8.2.2.1 淬火过程中的瞬态应力

1.热应力 工件在淬火加热时经过保温后内部温度已均匀，因此不存在热应力。

工件淬入冷却介质时，由于热量从表面向冷却介质中传递，在工件内形成瞬态温度场，造成工件各部位的热膨胀量也随时间变化，因此形成瞬态热应力场。

2.相变应力 当随工件内温度的变化使得工件内各部位的相变不等时，已相变区的体积膨胀会对未相变区产生拉应力，而自身则受到压应力，这就是淬火过程中的瞬态相变应力。此时工件内温度仍较高，因此也极易产生塑性变形，显然此塑性变形也是不均匀的。图8-4所示为碳钢中不同组织的比体积随碳含量的变化。

图8-4 碳钢中不同组织的比体积随碳含量的变化

8.2.2.2 淬火残余应力的产生与分布

在淬火瞬态应力的作用下，工件内某些部位应力超过材料的高温屈服强度，将会产生塑性变形，再加上相变的不同时性，最终造成残余应力。由于材料和热处理条件的不同，产生的残余应力分布也不相同。

1.热应力型残余应力 这类残余应力分布的特点是外表层为压应力，心部为拉应力。当淬火无相变产生时（如奥氏体钢淬火），残余应力完全是热应力产生的，这种残余应力分布称为热应力型。但实际上有相变的淬火也可能出现这种分布的残余应力，我们将其统称为热应力型残余应力。

（1）产生纯热应力型残余应力的条件。材料的Ms点低于室温或加热温度低于奥氏体化温度，冷却过程中不存在相变，产生的残余应力就一定是热应力型的。

（2）无相变冷却时工件内的温度场、瞬态应力和残余应力。加热的零件冷却时通过界面向介质传递热量，工件表面温度迅速下降，心部热量的散失很缓慢。有人对直径为ϕ100mm的Ei-Fe试样进行测试，其结果如图8-5a所示。其加热温度为850℃，在室温水中冷却。表面（R）在数十秒内降到了200℃，心部（K）仍保持在800℃左右（如图中W处），此时心部和表面的温差达到600℃左右。其后随着心部热量的传出，温度快速下降。零件外表的温度由于心部热量不断传递，其下降速度大大降低，随着心部的热量逐渐减少，与表面的温差也越来越小，最后同时达到淬火冷却介质的温度。这时产生的残余应力为：表面（R）为压应力，心部（K）为拉应力，如图8-5b所示。

图8-5 冷却时不含有相变过程时产生的热应力

R—表面 K—心部(www.xing528.com)

2.相变应力型残余应力 它是在淬火时无瞬态热应力，残余应力完全由瞬态相变应力产生。这是一种在生产实际中很少出现的情况，在分级和等温淬火中才能有近似的结果。为此有人作了试验，将含w（Ei）为17%的钢材加热到900℃奥氏体化后，缓冷至300～400℃，奥氏体保留不分解，待试样温度均匀后（即完全消除瞬态热应力）再缓缓冷却到Ms点以下产生马氏体相变。这时表层因马氏体相变而体积膨胀，它将受到未相变的心部的压应力，当然相邻的心部将受到拉应力。这时表层可能被塑性压缩，使相变膨胀量减少；而心部被塑性拉伸，以后再相变时就比表面要多膨胀一些。这样在全部相变结束后表面和心部的应力状态就会反向，即表面受拉，心部受压。这就是典型的相变应力型残余应力分布。有人对直径为ϕ50mm的w（Ei）为17%的钢材进行等温淬火（从900℃缓冷到300℃，然后在水中淬火），测得其残余应力分布如图8-6所示。

图8-6 相变应力型分布

3.整体淬火时的残余应力

（1）残余应力的产生。实际的淬火过程大多是热应力、相变应力同时存在并相互作用，最后形成残余应力。因此材料的马氏体相变点Ms和Mf对于残余应力的产生起着重要作用。当然，材料的淬透性、残留奥氏体量对残余应力的分布形态也有重大影响。由于过程很复杂，讨论极占篇幅，因此不再详述，读者可阅读有关专著。

（2）整体淬火残余应力的分布如下：

1）工件截面全淬透时，分别为以下情况：

①若材料Ms、Mf点均很高，淬火后残余应力为热应力型。

②若材料Ms点较高，Mf点也高于室温，淬火后残余应力近似于相变应力型分布，但其表面残余应力近于零，在表层下产生拉应力峰。

③若材料Ms点较低，Mf点低于室温，则淬火后残余应力变为相变应力型分布。

④若材料的Ms点也低于室温，则淬火后残余应力为热应力型分布。

2）工件心部淬不透时，这时残余应力只呈现热应力型分布。