淬火應(yīng)力與裂紋
2012-02-27但在一定條件下控制應(yīng)力使之合理分布，就可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命，變害為利。分析鋼在淬火過程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律，使之合理分布對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合理分布對(duì)零件使用壽命的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛重視。
一、鋼的淬火應(yīng)力
工件在加熱和冷卻過程中，由于表層和心部的冷卻速度和時(shí)間的不一致，形成溫差，就會(huì)導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，由于表層開始溫度低于心部，收縮也大于心部而使心部受拉，當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，由于心部Z后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受壓心部受拉。即在熱應(yīng)力的作用下Z終使工件表層受壓而心部受拉。
這種現(xiàn)象受到冷卻速度、材料成分和工藝等因素的影響。當(dāng)冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大，Z后形成的殘余應(yīng)力就愈大。另一方面鋼在淬火過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，比容的增大會(huì)伴隨工件體積的膨脹，工件各部位先后相變，造成體積長(zhǎng)大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的Z終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力，恰好與熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的大小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度、形狀、材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。
實(shí)踐證明，任何工件在淬火過程中的相變，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會(huì)發(fā)生。只不過熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的，在整個(gè)冷卻過程中，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，就是工件中實(shí)際存在的應(yīng)力。
這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果是十分復(fù)雜的，受著許多因素的影響，如成分、形狀、工藝參數(shù)等。就其發(fā)展過程來說只有兩種類型，即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，作用方向相反時(shí)二者抵消，作用方向相同時(shí)二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加，兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)有一個(gè)占主導(dǎo)因素，熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受拉，表面受壓。組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受壓表面受拉。
二、應(yīng)力對(duì)淬火裂紋的影響
存在于淬火件不同部位上能引起應(yīng)力集中的因素(包括冶金缺陷在內(nèi))，對(duì)淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進(jìn)作用，但只有在拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)(尤其是在Z大拉應(yīng)力下)才會(huì)表現(xiàn)出來，若在壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)并無促裂作用。
淬火冷卻速度是一個(gè)能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素，也是一個(gè)能對(duì)淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達(dá)到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度，并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。
就殘余應(yīng)力而論，這樣做由于能增加抵消組織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力值，故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達(dá)到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且，在能淬透的情況下，截面尺寸越大的工件，雖然實(shí)際冷卻速度更緩，開裂的危險(xiǎn)性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應(yīng)力隨尺寸的增大實(shí)際冷卻速度減慢，熱應(yīng)力減小，組織應(yīng)力隨尺寸的增大而增加，Z后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在工件表面的作用特點(diǎn)造成的。并與冷卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀念大相徑庭。對(duì)這類鋼件而言，在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。
避免淬裂的原則是設(shè)法盡量減小截面內(nèi)外馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性。僅僅實(shí)行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的形成。一般情況下只能產(chǎn)生在非淬透性件中的裂紋，雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因，卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi))本身，而是淬火件局部位置(由幾何結(jié)構(gòu)決定)，在高溫臨界溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度顯著減緩，因而沒有淬硬所致。產(chǎn)生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈，是由以熱應(yīng)力為主要成份的殘余拉應(yīng)力作用在淬火件中心，而在淬火件末淬硬的截面中心處，首先形成裂紋并由內(nèi)往外擴(kuò)展而造成的。
為了避免這類裂紋產(chǎn)生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實(shí)施高溫段內(nèi)的快速冷卻，目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織；而從內(nèi)應(yīng)力的角度來看，這時(shí)快冷有害無益。其次，冷卻后期緩冷的目的，主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應(yīng)力值，而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度，從而達(dá)到減小應(yīng)力值和Z終抑制淬裂的目的。