表面热处理残余应力产生原因分析

表面热处理残余应力

材料在进行淬火等热处理后，其内部将会产生残余应力。如果材料内各部分的形状和体积发生不均匀的变化，则残余应力的产生是无法避免的。热处理残余应力的大小和分布对材料的力学性能有很大的影响，成为各种缺陷产生的原因。热处理残余应力对零件是否有害主要取决于应力的分布状态，这就要求设计者和制造者能够合理利用残余应力来提高零件的力学性能。例如，齿轮经渗碳、表面淬火和薄壳淬火后，都能够在表面形成残余压应力，而压应力有利于提高齿轮的疲劳寿命。


由热应力产生

当试样淬火急冷时，试样的内部不发生相变，下图所示为此情况下热残余应力的产生过程。当试样在急速冷却的过程中，由于表层（R）和心部（K）的冷却状态不同而产生温差，因而产生热应力。下图a所示为试样表层和心部的冷却曲线，下图b所示为对应的热应力变化曲线。表层与心部的应力大小随着温差的大小而变化。Ⅰ表示试样处于弹性状态时的表层应力，Ⅱ和Ⅲ分别表示表层与心部的实际应力。下图c所示为沿试样半径方向的残余应力分布曲线。试样表层处于压应力状态，而心部则处于拉应力状态，这是“热应力型”残余应力分布的普遍状况。此种情况下，试样的残余应力大小取决于试样冷却时的温差与材料的屈服强度。

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由相变应力产生

相变应力是金属材料在热处理相变过程中产生的应力，包括不均匀相变引起的应力（组织应力）和不等时相变引起的应力（附加应力）。两种相变应力都是由于不同组织结构的比体积差异而引起的。例如，零件表面在进行淬火时，由于表层马氏体组织的比体积大于心部，从而在表层产生残余压应力，心部则呈现拉应力。这种残余应力分布是由不均匀相变而引起的。碳钢零件在整体淬火时，先将零件加热到奥氏体转变温度以上，然后保温一段时间，再进行快速冷却，从而得到马氏体组织。在这样的热处理过程中，由于表层和心部冷却速度的不同而使相变出现时差，最终导致表层拉应力而心部压应力的分布状态。也就是说，这种残余应力分布是由不等时相变而引起的。


最终残余应力

热处理应力除了热应力和相变应力之外，材料化学成分的变化也可以产生应力。例如，渗碳、渗氮等化学热处理方法都会使零件表面的化学成分发生变化，或者是增大了碳含量，或者是提高了氮含量。化学热处理后，零件表面将会产生很高的残余压应力。相反，如果零件在加热时发生了脱碳现象，表层碳含量会减少，则表层的残余压应力将会转变为拉应力。

下图所示为大截面钢件经淬火、水冷后所产生的各种应力分布情况。下图a所示为热应力分布，表层呈压应力，而心部呈拉应力；下图b所示为不等时相变引起的应力，表层为拉应力，而心部为压应力。另一方面，由于钢件的截面大，无法淬透整个截面，从而产生如下图c所示的不均匀相变引起的应力。所有这些应力合成如下图d所示的最终残余应力。图1-7中应力的简单叠加只能用做定性的解释，而实际情况要复杂很多。热应力、不等时相变应力和不均匀相变应力的形成时间并不一致。显然，先出现的应力必然会对后来应力的形成造成影响，同样，后一步的应力也会使先前已形成的应力重新分布。总之，它们相互之间都有很大影响。

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