3.2　淬火應(yīng)力分析

鋼鐵零件在熱處理加熱和冷卻過程中，由于熱脹冷縮和發(fā)生組織相變時新舊組織比體積（或比容）的差異，必然發(fā)生體積的變化。需要特別注意的是零件在冷卻的過程中，表面和心部存在溫度的差異，加上組織相變的不同時性和相變量的不同，將造成鋼鐵零件表面和心部的體積變化無法同步進行，因此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。按照內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因和機理的差異，可將其分為兩種，即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，它們對于零件的熱處理變形和表面的技術(shù)要求有十分重要的影響，下面分別介紹。

內(nèi)應(yīng)力的組成一是熱應(yīng)力，零件在熱脹狀態(tài)下快速冷卻，進入冷卻狀態(tài)從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力；二是組織應(yīng)力，是指在冷卻過程中，零件自奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，二者存在比容的不同，因此組織轉(zhuǎn)變時同一零件的體積先后膨脹，引起了比容的變化以及組織轉(zhuǎn)變的不同時性從而產(chǎn)生了組織應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力復(fù)合作用，從而引起工件的變形。另外零件的吊掛、裝爐不當(dāng)、冷卻時的碰撞、產(chǎn)品形狀設(shè)計缺陷、選材不當(dāng)以及熱處理工藝參數(shù)等也將會對零件的內(nèi)應(yīng)力有一定的影響，最終影響到零件的變形。

零件在熱處理過程中，熱處理應(yīng)力是引起零件幾何形狀改變的原因。考慮到零件內(nèi)應(yīng)力既有有利的方面，也有需克服的致命缺陷，因此掌握控制內(nèi)應(yīng)力的方法對于生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品至關(guān)重要。

3.2.1　熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是指零件在熱處理加熱和組織轉(zhuǎn)變過程中，零件各部分之間存在溫差，造成熱脹冷縮時先后不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。零件從高溫冷卻時，體積收縮，零件的表面冷卻快，將首先收縮，而心部冷卻慢，最后收縮。零件冷卻的初期，表面的收縮會受到未轉(zhuǎn)變的心部的阻礙，而心部受到表層的擠壓，在冷卻的后期則情況與此相反。因此在零件的冷卻過程中，其各部分的收縮的不一致性，產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。由于零件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的作用，按作用性質(zhì)分為張應(yīng)力和壓應(yīng)力兩種，按形成原因分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩類。我們知道熱應(yīng)力是其零件在加熱和冷卻過程中，其內(nèi)部各點溫度不同時性而形成的，因此溫度越高，熱應(yīng)力越大，通常零件心部產(chǎn)生的熱應(yīng)力最大。熱應(yīng)力的形成是比較復(fù)雜的，其大小取決于材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，熱應(yīng)力的大小與熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的比值成正比，表3-4為鋼和鑄鐵中各種相的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)。常用鋼的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)見表3-5。

從表中可以看出，熱應(yīng)力大小與熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的比值成正比。由此可見材料的熱應(yīng)力與存在的組織狀態(tài)有關(guān)，產(chǎn)生的應(yīng)力塑性變形大小是有區(qū)別的，在實際的熱處理過程中，應(yīng)具體分析和采取必要的措施，控制零件的變形量使之符合技術(shù)要求，滿足工作需要。熱應(yīng)力變形的實質(zhì)是零件內(nèi)外熱脹冷縮的不同時性引起零件體積的重新分布，這將導(dǎo)致零件的變形。

3.2.2　組織應(yīng)力

組織應(yīng)力是在零件的加熱和冷卻過程中存在溫度差，零件因內(nèi)各部分組織轉(zhuǎn)變非同時性和不一致性而形成的內(nèi)應(yīng)力，即為組織應(yīng)力。淬火馬氏體的比容比奧氏體大，因此奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時，必然引起零件的體積膨脹。在淬火過程中，為了獲得馬氏體組織，要采取大于臨界冷卻速度的冷速進行冷卻，因此要產(chǎn)生顯著的組織應(yīng)力。零件各部分的冷卻速度不同，表面溫度冷到M_s點以下發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變和體積的膨脹，圖3-2為在淬透的情況下，零件表層和心部產(chǎn)生的組織應(yīng)力的變化過程。

零件在熱處理過程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力同時存在，因此兩種應(yīng)力相互作用。當(dāng)兩種應(yīng)力在某一瞬間綜合效果超過材料的屈服強度，引起組織不可逆的應(yīng)力變形，就造成零件的變形。

組織應(yīng)力引起變形的基本規(guī)律與熱應(yīng)力的作用情況相反，等溫層面積使最后冷卻的長度尺寸脹大，端面縮小，尖角突起，表面內(nèi)凹，因此熱處理過程引起組織應(yīng)力變形，同時也造成熱應(yīng)力變形和體積的變形。影響淬火鋼中應(yīng)力分布的因素大致見表3-6。表3-7列出了引起體積變化和形狀變化的原因。

零件中內(nèi)應(yīng)力的消除方法是進行去應(yīng)力退火，由于材料在塑性狀態(tài)下，應(yīng)力使工件“復(fù)蘇”而變形，因此溫度提高則材料的塑性越好，應(yīng)力的消除越徹底。事實證明去應(yīng)力退火的溫度在500℃以下沒有效果，一般溫度在550～650℃，例如45鋼采用550℃，38CrMoVAl使用600℃進行退火處理。其去應(yīng)力的溫度與材料的屈服強度有關(guān)，屈服強度高則退火溫度也需要提高，去應(yīng)力退火多用于減小零件的變形，尤其是對減小零件滲氮后變形十分有益。

淬火時工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)零件的內(nèi)應(yīng)力超過了材料的彈性極限，則產(chǎn)生塑性變形。一般材料的熱膨脹系數(shù)α=11.5×10^-6℃^-1，彈性模量E=205.8GPa，泊松比μ=0.3，淬火溫度為T₁=830℃，冷卻后T₂=180℃。工件加熱后快冷，由熱脹到冷縮狀態(tài)下工件的內(nèi)應(yīng)力的計算：，由此可見一般鋼的彈性極限小于該數(shù)值，因此不可避免地產(chǎn)生塑性變形。