热处理时效在残余应力理论与应用上的成果

热处理法（heat treatment）是指把结构整体或焊缝区局部，按照一定的升温速度加热到构件金属相变点以下的适当温度（通常称为退火温度），进行一段时间的保温，再于可调控的速率下降温。用热处理的热作用消除残余应力与蠕变和应力松弛现象有密切的关系。一般材料的屈服应力是随着加热温度的增加而下降的，而材料的弹性模量随之亦然。加热时，该温度下的残余应力超过了材料本身的屈服应力，就会发生塑性变形，从而过高的残余应力会被缓和，但是这种消除是有限度的。同时，热处理时效过程还伴随着蠕变，这种机制会引起应力松弛。在理论上，只要给予充分的时间长度，残余应力可以全部去除。该工艺的保温过程和降温过程通常发生在图5-3所示的热处理炉中，通常有色金属构件的热处理多使用真空的热处理炉。

图5-3　热处理炉

在实际加工过程中，工件在受到焊后热处理加热时，材料在拉应力区受拉伸而发生了屈服，发生了伸长型的形变，相应的压应力区则被压缩。在随后的保温过程中，由于蠕变的进行，开始出现了应力松弛，随着保温时间延长，伴有轻微的变形和应力重新分布。屈服现象对于热处理时效法消除应力来说非常重要，由于当加热温度接近再结晶温度时，弹性模量下降的程度相比材料屈服极限要小，故热应变不会直接导致弹性应力的消除，因此这一纯热弹性过程会在冷却时逆转。根据上述原因，残余应力不仅在保温期间会下降，如果冷却速度是均匀的，在冷却过后也会保持在较低的水平［5］。

热处理法去除残余应力的效果主要由温度曲线和工艺措施决定。具体的工艺参数包括升温速度、退火温度、保温时间、降温速度和分段热处理搭接长度等。对于焊缝局部热处理的工程应用，加热宽度和保温宽度是十分重要的。必须保证足够的加热宽度和保温宽度才能够确保加热区域与非加热区域的温度平缓过渡，免除因为陡峭温度梯度而产生的次生残余应力。同时，为了避免在构件表面与内部之间有过大的温度差产生，加热与冷却的速率均须控制在一个较小的范围内，否则由此过剩温差产生的热应力可能会导致裂纹的出现，残余应力的预期降幅也会因为新残余应力的产生以及变形而受到影响。因此，在必要情况下，适当延长退火及保温时间，以便让应力松弛过程能够均匀而充分地进行。消除应力退火不仅能降低此处的宏观残余应力，同时还能够减低微观的残余应力。下面将分别列举热处理时效调控残余应力在轨交、航空及船舶三个领域的具体应用实例。

火车车轮在轮辋踏面下需要存在一定深度范围内分布的轴线残余压应力，用于抵消或部分抵消车轮运行过程中产生的拉应力，所以热处理时效也是火车车轮制造的一个重要工序。车轮材料使用CL60钢，以HDSA车轮为例进行热处理，其工艺参数如下［6］：淬火温度840℃，淬火时间280 s，回火温度为500℃，保温时间4 h，之后进行空气冷却。在淬火开始阶段，车轮踏面附近分布的应力为周向拉应力，轮内深处受到残余压应力，经过热处理时效后，最终检测得到车轮踏面上的周向残余压应力可达140 MPa，踏面下的压应力区域深度可达38.2 mm。

高温涡轮叶片是航空发动机的核心零件，也是服役过程中所承受温度和载荷条件最为恶劣的零件之一，发动机的使用达到一个服役周期后须对涡轮叶片进行全面检测和修复，其过程中有一项是判断其表面热障涂层是否发生脱落。目前在发动机维修工厂中，最常用的一种方法是将叶片加热到550～600℃，经过一定时间的保温之后空冷至室温，观察叶片表面颜色。所以有学者研究了热处理过程对涡轮叶片榫头表面残余应力的调控。将一个如图5-4所示经过一定服役周期的某型号发动机高温涡轮叶片进行热处理时效［7］。叶片榫头部位的材料是DZ125定向凝固镍基高温合金，合金熔点为1 350℃，相变温度大于800℃。其热处理的过程为将部件随炉加热至580℃，并在同等温度下保温2 h，之后空气冷却至室温。检测结果显示叶片榫头残余应力整体呈现一定的松弛趋势，下降20～100 MPa，而喉部赤底圆角即图5-4b中D位置的应力状态则从拉应力转变为压应力，这一转变可以提高叶片重新服役的安全性。

图5-4　高温涡轮叶片［7］(https://www.xing528.com)

船舶作为大型焊接件，大多数装焊阶段所产生的残余应力调控都是使用热处理方式。大型防护门的门轴柱、斜接柱结构复杂，板厚变化较多，焊接接头度、焊缝均较长。通过焊后热处理，此结构的焊接残余应力能够得到充分释放，获得良好的消除效果。此结构的焊后热处理工艺过程可以归纳如下［5］：

（1）加热、保温温度。采用防止变形的下限温度，一般在550℃左右。

（2）加热速度v1（℃/h）。v1≤200×25/δmax，其中δmax是最大板厚（mm）。

（3）保温时间。以构件板厚（或者焊缝处）最大的厚度计算，按照2～2.5 min/mm计算保温时间。

（4）进炉温度。为了减少在加热过程中炉温和构件之间存在过大温度差的可能性，应该降低进炉温度，故而设定为≤300℃。

（5）冷却速度v2。v2≤260℃/h，到了300℃以下，出炉空气冷却。