淬火内应力

淬火过程中工件内部产生的应力

淬火内应力是工件不同部位变温速度的差异是内应力的来源。淬火冷却时，变温速度的不均匀性最大，引发的内应力也最大，故淬火内应力。

介绍

热应力和组织应力材料按其热膨胀规律，在冷却时发生收缩。相邻两部位降温速度不同，导致冷却过程的任-时刻比容的差异，相互产生应力，称为热应力。马氏体的比容大于奥氏体，在马氏体转变时，随马氏体量增多，工件发生膨胀。相邻部位冷却到马氏体转变点Ms的时间不同，或者在Ms以下冷却速度不同，由于钢中马氏体转变的变温转变特性(见马氏体转变)也将产生内应力，称为组织应力。热应力和组织应力方向正好相反。在Ms以上，仅存在热应力机制，在Ms以下两种机制同时发生，但由于马氏体相变引起的线膨胀量大于热膨胀(约-个数量级)，所以Ms点以下组织应力机制起主要作用。工件淬火冷却时，外层冷却快，心部慢；薄壁部位冷却快，厚壁部位冷却慢；冷却介质与工件的相对流动情况也影响冷却的均匀性；冷却烈度越大，不均匀性越大。上述种种，加上高低温(Ms以上和以下)阶段两种内应力机制，使工件淬火冷却时内应力的形成和发展极其复杂。

当应力超过屈服极限时，将发生局部塑性变形。因而，最高应力值取决于受力部位的屈服极限。多余的尺寸差异将转化为塑性变形，如材料的塑性不良，则内应力将迅速超过断裂强度而导致开裂。Ms以上，由于温度高及钢处于奥氏体状态，屈服强度低，塑性良好，热应力多表现为工件的变形；Ms以下马氏体量随温降而增多，塑性迅速下降，组织应力可达很高值，且可导致工件开裂。

最简模型。设有横截面为形状对称的棒状工件，按轴线(点划线)分成上下(I、Ⅱ，尺寸相同)两半部，施以不同速度的冷却，如Ⅱ相当于均匀地喷液淬冷，而I相当于空冷；设I、Ⅱ两部分在整个冷却过程中内部温度是均匀的，降温曲线。研究I、Ⅱ两部分在全过程中轴向受力的变化。

热应力及变形内应力的变化可分为3个阶段：(1)从开始冷却τ0到I、Ⅱ温差达到最大的时间τ1。Ⅱ的先期收缩使其本身受张应力，同时I受压应力，由τ0至τ1逐渐增大。由于I、Ⅱ截面积相同，σI和σⅡ曲线是对称的。特别要注意到，在τ1之前，对于钢铁等屈服强度瓯不高的材料，两部分都将发生轴向的塑性变形，Ⅱ为拉伸，I为压缩，在τ1达到最大值。(2)从τ1至τ2(零应力点)。Ⅱ的降温速度减慢，I则增快，使应力逐渐松弛。零应力点是这样-种状态：温度差所对应的尺寸差，正好被Ⅱ的伸长(弹、塑变形)和I的缩短所抵消。(3)从τ2至τ3(室温)。I的降温速度继续大于Ⅱ，使τ1～τ2间的冷缩特征延续下来。由于起点是零应力状态，从-开始就使I进入张应力状态，Ⅱ为压应力态，弹性和塑性变形亦反向。过程-直进行到I、Ⅱ都降到室温，终态的应力值与材料在室温下的屈服强度相对应，称为残留热应力。

最简模型的热应力弯曲变形，在τ1状态，曲率中心在Ⅱ方(向I方弓出)。如果全过程只有弹性变形，无塑性变形，则零应力点将移至τ3(均温点)，并且弯曲量逐渐减少至零。非均温时零应力点的出现正是τ0～τ1间发生了塑性变形的反映。I的塑性压缩和Ⅱ的塑性伸长，导致冷却的后期产生弯曲的反向：向冷却快的Ⅱ方弓出。类似的现象在生产中是常见的。

组织应力及变形如果把τ0点定为Ms温度，则只需将σ1、σ2符号互相掉换，就是组织应力曲线。简言之，组织应力机制使冷却快的-侧最终受张应力，最终的弯曲为向冷速慢的一侧弓出。

检测实例是对中等尺寸的短棒状工件经整体浸入冷却介质激冷(到O℃)，热应力和组织应力的实测结果。为了获得单-的热应力或组织应力，设计了特殊的加热、冷却工艺。试件在浸冷时，心部则相当于I。热应力测定结果相-致。运用相似的推理，不难理解切向和径向的残留热应力形成机制。残留组织应力测定结果亦证明了前面关于组织应力与热应力相反的推断。

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