熱處理殘余力是指工件經熱處理后最終殘存下來的應力,對工件的形狀;尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時,便引起工件的變形,超過材料的強度極限時就會使工件開裂,這是它有害的一面,應當減少和消除。但在一定條件下控制應力使之合理分布,就可以提高零件的機械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過程中應力的分布和變化規(guī)律,使之合理分布對提高產品質量有著深遠的實際意義。例如關于表層殘余壓應力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經引起了人們的廣泛重視。
一、鋼的熱處理應力
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間的不一致,形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力,即熱應力。在熱應力的作用下,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,當冷卻結束時，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大,最后形成的殘余應力就愈大。
實踐證明,任何工件在熱處理過程中,只要有相變,熱應力和組織應力都會發(fā)生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的,在整個冷卻過程中,熱應力與組織應力綜合作用的結果,就是工件中實際存在的應力。
二、熱處理應力對淬火裂紋的影響
存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內),對淬火裂紋的產生都有促進作用,但只有在拉應力場內尤其是在最大拉應力下)才會表現出來,若在壓應力場內并無促裂作用。
淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度,并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應力而論,這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值,故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。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,雖然實際冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈大。
上圖為淬火裂紋
總結：
1、熱處理過程中產生的應力是不可避免的,而且往往是有害的。但我們可以控制熱處理工藝盡量使應力分布合理,就可將其有害程度降低到最低限度,甚至變有害為有利。
2、當熱應力占主導地位時應力分布為心部受拉表面受壓,當組織應力占主導地時應力分布為心部受壓表面受拉。
3、在高淬透性鋼件中易形成縱裂,在非淬透性工件中往往形成弧裂,在大型非淬透工件中容易形成橫斷和縱劈。
4、滲碳使表層馬氏體開始轉變溫度（Ms）點下降,可導至淬火時馬氏體轉變順序顛倒,心部首先發(fā)生馬氏體轉變而后才波及到表面,可獲得表層殘余壓應力而提高抗疲勞強度。
5、滲碳后進行等溫淬火可保證心部馬氏體轉變充分進行以后,表層組織轉變才進行。使工件獲得比直接淬火更大的表層殘余壓應力,可進一步提高滲碳件的疲勞強度。
6、復合表面強化工藝可使表層殘余壓應力分布更合理,可明顯提高工件的疲勞強度。
文章來源：熱處理小講堂
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