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影响钢件淬火应力的主要因素

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:影响淬火应力的大小、分布的因素很多,如钢件的几何形状、尺寸大小、淬火条件等。碳含量的影响 随着碳含量的增加,钢件淬火发生马氏体相变时的比体积变化增大,热应力减弱,组织应力的分布逐渐增强。淬火冷却速度的影响 钢件淬火时,冷却速度越大,产生的应力越大。内径进一步增大、壁厚进一步减小时,则组织应力的影响增强,热应力分布减弱,则总的淬火应力趋于降低。

影响钢件淬火应力的主要因素

影响淬火应力的大小、分布的因素很多,如钢件的几何形状、尺寸大小、淬火条件等。

1.钢的化学成分的影响

对于钢中的各种化学元素,如碳、硅、锰、磷、硫和一些其他合金元素来说,碳含量对钢的力学性能的影响起着主要作用。

(1)碳含量的影响 随着碳含量的增加,钢件淬火发生马氏体相变时的比体积变化增大,热应力减弱,组织应力的分布逐渐增强。因此,表层压应力减小,中间层的拉应力略有下降,心部的压应力则增大;并且中间层的拉应力最大值随碳含量的增加而移向表层,从而转化成以组织应力为主的分布特征。由于切向应力值较大,所以对于高碳钢来说,这将是极易产生纵向裂纹的原因之一。

(2)合金成分的影响 钢中含有合金成分,对淬火变形的影响是比较复杂的。一方面,合金元素使钢的导热性降低,淬透性提高,会增加淬火时的热应力和组织应力;另一方面,合金元素能提高钢的屈服强度,减小临界冷却速度,增加淬火后的残留奥氏体量,降低淬火马氏体的碳含量,会显著减小淬火应力和比体积变化。因此,总的来说,钢中含有合金元素有利于减少工件淬火时的残留应力,变形相对减少。在相同碳含量的情况下,合金钢比碳素钢的淬火变形显著减少。

2.淬火工艺因素的影响

(1)加热温度对淬火应力的影响 加热温度对淬火应力的影响很大。如果加热温度低于临界点,则冷却后只产生热应力;而加热到临界点以上的某温度淬火时,则既产生热应力也产生组织应力。当加热温度进一步提高时,这些应力也增大。这表明淬火加热温度越高,产生的淬火应力亦越大。(www.xing528.com)

(2)淬火冷却速度的影响 钢件淬火时,冷却速度越大,产生的应力越大。但是,只要很好地控制,使钢件表面及其附近不产生很大的、危险的拉应力,就可有利于避免产生淬火裂纹,并能提高钢件的疲劳寿命。

(3)钢件尺寸大小和几何形状对内应力的影响 对于中低淬透性钢,直径大于ϕ20~ϕ25mm的试样淬火后表层呈现压应力。直径小于ϕ20~ϕ25mm的试样,其表层则呈现拉应力。在油中淬火后,在马氏体转变区域内试样的表层和心部的温度差很小,所以热应力相应减小了,各种尺寸直径的试样表层均呈现拉应力。对于最终的淬火应力来说,组织应力起着主导作用,即试样表层显现拉应力。对于高淬透性钢,一般也是组织应力起着主导作用,即试样表层呈现拉应力。

对于中低淬透性钢制造的内孔直径很小的套筒,它的淬火应力分布是内孔的表面和外表面为压应力,中间层为拉应力。这种应力分布与实心的圆柱体的应力分布有着相同的规律。内孔直径稍大时,随着壁厚的减小,热应力的影响急剧减小,从而其残留应力的分布是内表面和外表面为拉应力,中间层为压应力。在淬火冷却效果较差时,内表面产生的拉应力将很大,因而内径小的高碳钢套筒内壁易产生淬火裂纹。内径进一步增大、壁厚进一步减小时,则组织应力的影响增强,热应力分布减弱,则总的淬火应力趋于降低。

如果钢件结构存在尖角或壁厚相差较大的情况,则内应力的分布往往集中在转角、尖角处或尺寸突变的过渡区域。生产中,往往在这些地方产生变形和裂纹。

3.钢件表面脱碳的影响

脱碳层淬火时形成的低碳马氏体具有较小比体积,而内层形成的高碳马氏体具有较大比体积。随脱碳层深度增加,表面的切向应力由压应力转变为拉应力。轴向应力则随着脱碳层深度的增大,开始为拉应力而后转为压应力。脱碳层的出现,使淬火后钢的表面硬度下降,甚至低于心部硬度。另外,由脱碳造成的表面拉应力,严重时,在淬火后将产生沿脱碳层深度的网状裂纹。脱碳轻微时,可以不出现裂纹,但是会降低钢的疲劳强度及其使用寿命。

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