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熱處理應力及其影響分析,熱處理對應力腐蝕開裂的影響

發布于:08-14 文章來源:xianjichina.com

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。



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。


Fe-Fe3C相圖

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。

淬火裂紋

熱處理對應力腐蝕開裂的影響

應力腐蝕開裂是最常見的一種腐蝕狀態。影響應力腐蝕開裂的因素包括冶金、受力狀態和環境三個方面。一般認為拉應力的存在是產生應力腐蝕開裂的必要條件。因此,若表面殘余拉應力消除不徹底或因熱處理不當在工件表面產生了殘余拉應力,都將導致工件應力腐蝕抗力的下降。不均勻的微觀組織容易產生應力腐蝕。敏化處理的不銹鋼容易產生晶間應力腐蝕開裂,圖1是熱處理對 18-8 型不銹鋼應力腐蝕開裂的影響,經過650℃敏化處理,應力腐蝕抗力急劇下降。

圖1 敏化對18-8型不銹鋼應力腐蝕開裂的影響

(低應變速度法;實驗溫度286℃;應變速率ε=8×10EXP-6)

強度強烈地影響馬氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂行為。淬火狀態下其應力腐蝕開裂的傾向很大,隨著回火溫度的升高,應力腐蝕抗力顯著得到改善,但是對于Cr12型馬氏體不銹鋼,在400-550℃溫度區間回火時,由于M23C6型碳化物的析出造成基體局部貧鉻,會出現應力腐蝕抗力低谷。見圖2 。

圖2 回火溫度對Cr12型不銹鋼屈

服強度和應力腐蝕開裂行為的影響

1-外加應力為50%σ0.2

2-外加應力為75%σ0.2

熱處理應力及其分類

熱處理應力主要可以分為熱應力和組織應力兩種,工件的熱處理畸變是熱應力和組織應力綜合作用的結果。熱處理應力在工件內存在的狀態及其引起的作用是有所不同的。因加熱或冷卻不均勻而造成的內應力稱為熱應力;因組織轉變的不等時性所造成的內應力稱為組織應力。另外,因工件內部組織轉變的不均勻而引起的內應力稱為附加應力。熱處理后工件的最終應力狀態及應力大小取決于熱應力、組織應力及附加應力之和,稱之為殘留應力。

工件在熱處理時形成的畸變與裂紋,就是這些內應力綜合作用的結果。同時,在熱處理應力的作用下,有時會使工件的某一部分處于拉應力狀態,而另一部分處于壓應力狀態,有時可能使工件內部各部分的應力狀態分布十分復雜。對此,應根據實際情況加以分析。

1.熱應力

熱應力是熱處理過程中,工件的表面與中心或薄的部位和厚的部位之間因加熱或冷卻速度的不同導致體積脹縮不均而產生的內應力。通常,加熱或冷卻速度越快,產生的熱應力越大。

2.組織應力

由相變引起的比體積變化的不等時性所產生的內應力稱作組織應力,組織應力又稱相變應力。通常,組織結構轉變前后其比體積越大、各部位轉變的時間差越大,則組織應力也越大。

3.附加應力

工件在熱處理過程中,除了能夠形成熱應力與組織應力外,因工件表面與中心處組織的不均勻性以及工件內部的彈性畸變不一致也能形成內應力,稱之為附加應力。例如,工件表層的增碳或者脫碳,表面淬火或局部淬火以及其他能夠導致工件表面和中心處組織不均的因素,均能夠產生熱處理的附近應力。

(1)表面淬火或者局部淬火時形成的附加應力 局部淬火或者表面淬火(如感應淬火、火焰淬火和激光淬火等)時,僅在被淬火的部分形成馬氏體組織,沒有淬火的部分仍是原始組織,從而導致整個工件上比體積的差別。此時,因工件表層馬氏體使比體積增大引起的膨脹受到中心部分的限制,使表面受到壓應力,中心受到拉應力的作用。

(2)滲碳淬火時形成的附加應力 滲碳工件淬火時,因其表層含碳量較高,內部含碳量低(鋼材的原始含碳量),則表層與心部的相變溫度(即Ms點)不同(表層較心部的相變溫度低)。因此,內部首先發生組織轉變而膨脹。這時表層組織仍為奧氏體,仍處于塑性狀態。初期表面受到拉應力的作用,心部受到壓應力作用。因表層的塑性極好,在拉應力作用下易發生塑性畸變而導致應力松弛,即其應力值有所減小。隨后,待高碳的表層也發生馬氏體轉變而膨脹時,表層與中心的應力正好相反,即表面是壓應力,心部是拉應力。

4.殘留應力

熱處理時只要伴隨有相變過程,熱應力與組織應力將同時產生。工件的最終應力狀態取決于熱應力、組織應力及附加應力之和。熱處理后最終保留下來的內應力,叫做殘留應力。其分為殘留拉應力(以“+”表示)與殘留壓應力(以“-”表示)。

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,可導致淬火時馬氏體轉變順序顛倒,心部首先發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。


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