整体热处理对残留应力的影响

钢件整体加热到奥氏体化温度，随后进行整体淬火冷却时，所形成的残留应力是组织应力和热应力共同作用的结果。图3-111和图3-112所示为圆柱体钢棒加热和冷却过程中的热应力，以及淬火过程中的组织应力变化规律。

钢件加热时，由于外热内冷的差别，截面上热应力的变化规律是表层受热膨胀，但受到低温心部牵制，表层受压应力，心部受拉应力。随着加热过程的进展，内外温差逐步缩小，直到完全消除。内外热应力发生反向变化，表层变拉应力，心部为压应力（见图3-111a）。加热形成的热应力对一般钢材无大影响，但对于导热性差的高合金钢和大截面工件来说，为避免发生热裂和严重畸变，须进行分段保温，延缓加热速度。

图3-111 圆柱体钢棒在加热和冷却时的热应力变化

a）加热 b）冷却

图3-112 圆柱钢棒淬火时的组织应力变化

钢件淬火冷却时，部分在高温形成的热应力因塑性变形而获得松弛，表层热应力由最初的拉应力转变为压应力，并保持到最后成为残余压应力（见图3-111b）。

组织应力又称相变应力，起因是相转变引起的组织比容变化（见表3-30）。组织应力的形成主要是来源于淬火冷却过程中的奥氏体-马氏体转变。淬火时，表层冷却快，先于心部发生马氏体转变。由于马氏体比容大，表层膨胀对心部形成拉应力，其本身受压应力。压应力峰值随马氏体转变向心部蔓延逐步向内迁移，并使心部尚未转变成马氏体的奥氏体发生塑性变形。最后当心部也发生马氏体相变时，外层受到心部组织膨胀的影响，表层压应力转为拉应力（见图3-112）。

表3-30 钢中各组织成分的比容(www.xing528.com)

钢件的热处理伴随着奥氏体-马氏体相变，最后的残留应力是热应力和组织应力综合作用的结果（见图3-113）。其大小与分布与钢的化学成分，淬透性、工件尺寸、形状、热处理工艺种类有关。图3-114所示为碳含量对完全淬透后的圆柱体钢样残留应力的影响轴向、切向和径向应力分布。

图3-113 热应力和组织应力的叠加示意图

1—表面开始转变 2—心部开始转变

图3-114 碳含量对完全淬透的圆柱体钢样残留应力的影响（铬钢，φ18mm，850℃水淬）

1—w（C）=0.98% 2—w（C）=0.51% 3—w（C）=0.33% 4—w（C）=0.20%

当热应力大于组织应力时，表面形成压应力。根据热应力和组织应力间比值和正负差别，两种应力叠加结果会有各种变化，表层会形成不同符号和不同大小的残留应力值。在许多情况下，组织应力大于热应力，残留应力不表现出加热和冷却过程的应力状态特征，并不会超过冷却时的瞬间应力。如果冷却形成的应力超过金属的断裂强度，且金属的低温塑性很差，不能靠塑性变形得到松弛，就会发生裂纹。热处理时应尽量避免在工件表面形成大的拉应力，这是因为后者会助长开裂。拉应力主要由组织应力引起，并减少组织应力，应尽可能降低Ms点以下的冷速，并避免过高温度加热。