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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2021-05-06 09:29
1 概述
金屬材料在經(jīng)過(guò)各種冷加工、熱加工成形時(shí)，將承受外力和熱的作用。而當(dāng)加工結(jié)束、外界作用因素消除后，在工件內(nèi)部仍會(huì)在整體或一定范圍內(nèi)保留一定的內(nèi)應(yīng)力，稱為殘留應(yīng)力。殘留應(yīng)力的存在對(duì)零件的尺寸穩(wěn)定性、變形、開(kāi)裂及材料的力學(xué)性能將產(chǎn)生巨大影響，所以它是影響機(jī)械零件質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素。因此有必要了解殘留應(yīng)力在加工過(guò)程中如何產(chǎn)生；應(yīng)力大小和分布與工藝的關(guān)系；如何調(diào)整其分布或減小其數(shù)值；如何對(duì)其進(jìn)行定性、定量的測(cè)定。
本期將主要對(duì)熱處理和表面強(qiáng)化處理（噴丸、表面滾壓等）的殘留應(yīng)力進(jìn)行全面介紹（產(chǎn)生、分布、影響因素和測(cè)定方法）。
1. 1 殘留應(yīng)力的分類
殘留應(yīng)力的類型一般是以其保持平衡的尺度范圍大小來(lái)區(qū)分。
第一類：在工件整體內(nèi)或宏觀范圍內(nèi)達(dá)到平衡的殘留應(yīng)力稱為宏觀殘留應(yīng)力，在工程中常簡(jiǎn)稱為殘留應(yīng)力。
第二類：在工件內(nèi)幾個(gè)晶粒范圍內(nèi)達(dá)到平衡的殘留應(yīng)力（如塑性變形后晶間應(yīng)力、相間應(yīng)力等等）稱為微觀殘留應(yīng)力。
第三類：在工件中大量原子面、原子列附近達(dá)到平衡的殘留應(yīng)力（如晶格中的各種缺陷）稱為超微觀殘留應(yīng)力。
由于第二、三類殘留應(yīng)力對(duì)工件質(zhì)量和性能的影響尚無(wú)確切結(jié)論和明顯作用，也沒(méi)有應(yīng)用其解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的實(shí)例，所以本期只介紹第一類宏觀殘留應(yīng)力的有關(guān)分析和測(cè)定技術(shù)。
一般這三種殘留應(yīng)力是同時(shí)產(chǎn)生和存在的，它們之間共存的狀態(tài)見(jiàn)圖1。從圖1可以看到第一類宏觀殘留應(yīng)力在圖中所示的幾個(gè)晶粒的范圍是用一條水平線表示的固定值。而第二類應(yīng)力則在晶粒內(nèi)是水平線表示的固定值，但晶粒間數(shù)值不同，在多個(gè)相鄰晶粒間達(dá)到平衡。第三類應(yīng)力由于平衡范圍小得多，在晶粒內(nèi)則是顯示成曲線分布。
圖1 三類殘留應(yīng)力共存示意圖
1. 2 殘留應(yīng)力與質(zhì)量控制的關(guān)系
1.2.1 殘留應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能的影響
1 殘留應(yīng)力對(duì)靜強(qiáng)度的影響 殘留應(yīng)力只是作為預(yù)應(yīng)力施加在零件上，從而對(duì)材料的屈服強(qiáng)度產(chǎn)生影響。殘留壓應(yīng)力使屈服點(diǎn)上升，殘留拉應(yīng)力則使其下降。圖2所示為預(yù)先加工（拉伸、扭轉(zhuǎn)和兩者組合）對(duì)直徑為Φ6.35mm的碳鋼材料的 “載荷-伸長(zhǎng)” 率曲線的影響。從圖2中可知材料的屈服強(qiáng)度變化很大，但抗拉強(qiáng)度性能指標(biāo)卻無(wú)大變化。其原因是殘留應(yīng)力不能改變材料的組織狀態(tài)，因此無(wú)法改變材料的性能。一旦外力作用超過(guò)材料當(dāng)時(shí)的屈服強(qiáng)度將產(chǎn)生塑性變形，立即使殘留應(yīng)力釋放，它的預(yù)應(yīng)力作用就下降或消失了。
圖2 預(yù)先加工（拉伸、扭轉(zhuǎn)和兩者組合）對(duì)直徑為66. 35mm的碳鋼材料的載荷一伸長(zhǎng)率曲線的影響
2 殘留應(yīng)力對(duì)塑性、韌性的影響
前面已指出，殘留應(yīng)力對(duì)屈服點(diǎn)影響很大，而對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響很小；而塑性指標(biāo)伸長(zhǎng)率則恰好就是在屈服后到破壞前的塑性拉伸量。因此當(dāng)殘留拉應(yīng)力使屈服點(diǎn)下降，而抗拉強(qiáng)度性能變化不大時(shí)顯然就使材料的伸長(zhǎng)率增加了。而殘留壓應(yīng)力的作用當(dāng)然是相反的。一般來(lái)說(shuō)，塑性好的材料韌性也好。可以認(rèn)為殘留應(yīng)力是通過(guò)對(duì)強(qiáng)度的影響來(lái)對(duì)塑性、韌性起作用的。
3 殘留應(yīng)力對(duì)硬度的影響
當(dāng)前的硬度測(cè)試方法都是壓入法，即用堅(jiān)硬的鋼球或金剛石錐體向被測(cè)物體中壓人。所以測(cè)硬度實(shí)際上是和材料的強(qiáng)度分不開(kāi)的。顯然屈服強(qiáng)度越高的材料反映在硬度上也會(huì)越高。如圖3所示，將鋼板彎曲變形，使其一面產(chǎn)生殘留拉應(yīng)力，另一面是殘留壓應(yīng)力。測(cè)量不同大小殘留應(yīng)力的洛氏硬度HRB, 其結(jié)果反映出殘留拉應(yīng)力使硬度測(cè)定值下降，殘留壓應(yīng)力使硬度測(cè)定值上升。將T10鋼淬火后冷處理，當(dāng)材料壁厚不同（5~20mm) 時(shí)，由于淬透層不同，則使表面產(chǎn)生的殘留應(yīng)力不同。5mm鋼板全截面淬透表面是殘留拉應(yīng)力，而20mm 鋼板由于50%以上厚度心部未淬透而使表面為殘留壓應(yīng)力。測(cè)量其硬度HV值，也同樣得到殘留壓應(yīng)力使硬度升高的結(jié)果。當(dāng)然對(duì)硬度影響更大的是冷處理時(shí)的殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變量。
圖3 洛氏硬度和彎曲應(yīng)力
注：材料為退火鋼板，硬度為HRB
4 殘留應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
殘留應(yīng)力對(duì)動(dòng)載荷下的材料疲勞強(qiáng)度有很大影響。在彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓等交變載荷下，疲勞裂紋萌生在截面上最大拉應(yīng)力處，而多數(shù)情況下是在工件表面層。因此，當(dāng)在工件表層存在一個(gè)殘留壓應(yīng)力層時(shí)，就將增大疲勞裂紋的極限裂紋深度ac和降低裂紋擴(kuò)展速度da/dN, 延長(zhǎng)裂紋萌生期N0,從而可提高疲勞強(qiáng)度σ-1 , 延長(zhǎng)疲勞壽命Nf 。材料表面層的殘留壓應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響不僅和其數(shù)值大小有關(guān)，還和它在交變載荷下的衰減速度有關(guān)。而這又和材料及產(chǎn)生殘留應(yīng)力的方式有關(guān)。對(duì)于低、中碳鋼，用表面化學(xué)熱處理（滲碳、滲硼、滲氮等等）得到的表面殘留壓應(yīng)力層抗衰減能力很強(qiáng)，而表面強(qiáng)化的（噴丸、滾壓等）則衰減較快。如45鋼光滑試樣，退火狀態(tài)的σ-1 =213MPa, 噴丸后為235MPa, 提高10%。而將其表面高頻感應(yīng)加熱淬火（200℃回火）， 則其疲勞強(qiáng)度σ-1 , 可達(dá)到676MPa, 提高217%。對(duì)此類鋼材的研究結(jié)果證明，凡|σb壓｜／σb拉≈1的鋼材，僅用表面強(qiáng)化技術(shù)達(dá)不到大幅度提高疲勞強(qiáng)度的目的。而高碳鋼和合金鋼就不同了，表面強(qiáng)化也可大大提高疲勞強(qiáng)度。例如將w (C) =0. 95%的高碳鋼噴丸后，σ-1可提高50%；w (C) =0.37%、w (Mn) =0. 90%、w (Cu) =0.25%中碳低合金鋼噴丸也可使σ-1, 提高50%。而低碳高合金的1Cr18Ni9Ti鋼噴丸可使σ-1 , 提高70%。所以對(duì)不同材料如何采用最有效、最經(jīng)濟(jì)的辦法來(lái)提高疲勞強(qiáng)度是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的問(wèn)題。
1.2.2 殘留應(yīng)力對(duì)變形開(kāi)裂的影響
1 殘留應(yīng)力分布與變形形態(tài)
由于殘留應(yīng)力的不同分布導(dǎo)致零件變形。零件中處于殘留壓應(yīng)力的區(qū)域必然產(chǎn)生壓縮彈性變形，而處于殘留拉應(yīng)力的區(qū)域則為拉伸彈性變形。這種不同分布的彈性變形，使得零件的形狀和尺寸產(chǎn)生偏差。如殘留應(yīng)力的分布是對(duì)稱的，則產(chǎn)生的變形也是對(duì)稱的。但由于熱處理工件形狀的不規(guī)則、壁厚的不一致、冷卻的不均勻等，均會(huì)造成殘留應(yīng)力分布的不均勻。從而造成變形的不均勻，產(chǎn)生扭曲、翹曲等不規(guī)則變形，為熱處理生產(chǎn)帶來(lái)麻煩。
2 殘留應(yīng)力與開(kāi)裂
工件淬火時(shí)由于冷卻過(guò)程中某處的瞬態(tài)應(yīng)力超過(guò)了材料的斷裂強(qiáng)度，使材料發(fā)生開(kāi)裂。開(kāi)裂產(chǎn)生后，其附近區(qū)域的應(yīng)力值因應(yīng)力釋放而大大降低，使裂紋不再擴(kuò)展。如果冷卻過(guò)程中裂紋尖端一直存在較大拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)使裂紋擴(kuò)展到整個(gè)截面，使工件斷裂報(bào)廢。
2 殘留應(yīng)力的產(chǎn)生
2.1 殘留應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因
2.1.1 不均勻塑性變形
當(dāng)工件承受復(fù)雜載荷（如冷軋、拉拔、擠壓以及表面噴丸、滾壓等）的作用時(shí)，截面上受力不均勻，受力大的地方可能產(chǎn)生塑性變形，而受力小的地方可能仍是彈性變形。不同部位的塑性變形程度也因受力大小不等而不同。卸載時(shí)，拉伸了的部位受壓縮應(yīng)力作用，與之相鄰的部位受拉伸應(yīng)力作用。壓縮了的部位受到拉伸應(yīng)力作用，其相鄰部位就受到壓縮應(yīng)力作用。這些不均勻塑性變形使工件內(nèi)產(chǎn)生殘留應(yīng)力。
2.1.2 不均勻溫度場(chǎng)的熱效應(yīng)
在熱加工過(guò)程中，加熱和冷卻過(guò)程是復(fù)雜的，其中常常是快速加熱和冷卻及局部加熱和冷卻。而且無(wú)論是加熱還是冷卻，都是只能通過(guò)表面?zhèn)鬟f熱量來(lái)進(jìn)行。工件加熱、冷卻時(shí)因溫度不均勻必然造成溫度高處熱膨脹量大，溫度低處熱膨脹量小，因此相互之間就會(huì)產(chǎn)生作用力，這就是瞬態(tài)熱應(yīng)力。在不同數(shù)值瞬態(tài)熱應(yīng)力作用下，若某些區(qū)域應(yīng)力值超過(guò)該處高溫屈服極限，就會(huì)在此處產(chǎn)生塑性變形，由于溫度的不均勻，所以此時(shí)的塑性變形也可能是不均勻的。當(dāng)加熱過(guò)程結(jié)束時(shí)，雖然已全截面冷至室溫，但因加熱過(guò)程中的不均勻塑性變形而產(chǎn)生殘留應(yīng)力。在塑性拉伸區(qū)將受壓，產(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力，與之相鄰區(qū)域則產(chǎn)生拉伸殘留應(yīng)力。若瞬態(tài)熱應(yīng)力不產(chǎn)生不均勻塑性變形，則冷卻后無(wú)殘留應(yīng)力。
2.1.3 不均勻相變
無(wú)論是鑄、焊、熱處理過(guò)程，熱量的傳遞都是通過(guò)表面進(jìn)行的，因此在冷卻過(guò)程中必然在工件內(nèi)產(chǎn)生不均勻溫度場(chǎng)，從而使相變也不均勻。這種不均勻包括兩方面。一種是相變的不等時(shí)性，即表層溫度下降快先相變，然后向內(nèi)擴(kuò)展。而相變發(fā)生時(shí)常伴有比體積變化（如固體相變中的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，比體積將增大1%左右）， 這時(shí)在已相變區(qū)和未相變區(qū)之間將除熱應(yīng)力外，還要因相變而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為相變應(yīng)力。在馬氏體相變時(shí)，馬氏體區(qū)將受壓，奧氏體區(qū)將受拉，這就是瞬態(tài)相變應(yīng)力。若此瞬態(tài)相變應(yīng)力不造成不均勻塑性變形，則全截面相變結(jié)束后將無(wú)殘留應(yīng)力存在。但實(shí)際上均會(huì)產(chǎn)生不均勻塑性變形，從而造成因相變不均勻產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。另外一種情況，則是由于材料淬透性的限制，在零件尺寸較大時(shí)，會(huì)在心部產(chǎn)生未淬硬層，那么淬硬層體積膨脹，未淬硬層體積未膨脹，這樣淬硬區(qū)和未淬硬區(qū)之間產(chǎn)生殘留應(yīng)力，這時(shí)相變過(guò)程中塑性變形往往起到降低殘留應(yīng)力的作用。
2.2 熱處理淬火時(shí)的殘留應(yīng)力
2.2.1 淬火過(guò)程中的瞬態(tài)應(yīng)力
1 熱應(yīng)力
工件在淬火加熱時(shí)經(jīng)過(guò)保溫后內(nèi)部溫度已均勻，因此不存在熱應(yīng)力。工件淬入冷卻介質(zhì)時(shí)，由于熱量從表面向冷卻介質(zhì)中傳遞，在工件內(nèi)形成瞬態(tài)溫度場(chǎng)，造成工件各部位熱膨脹量也隨時(shí)間變化，形成瞬態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)。
2 相變應(yīng)力
隨工件內(nèi)溫度的變化使得工件內(nèi)各部位的相變不等時(shí)，已相變區(qū)的體積膨脹會(huì)對(duì)未相變區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，而自身則受到壓應(yīng)力，這就是淬火過(guò)程中的瞬態(tài)相變應(yīng)力。此時(shí)工件內(nèi)溫度仍較高，因此也極易產(chǎn)生塑性變形，顯然此塑性變形也是不均勻的。圖4所示為碳鋼中不同組織的比體積隨碳含量的變化。
圖4 碳鋼中不同組織的比體積隨碳含量的變化
2.2.2 淬火殘留應(yīng)力的產(chǎn)生與分布
在淬火瞬態(tài)應(yīng)力的作用下，工件內(nèi)某些部位應(yīng)力超過(guò)材料的高溫屈服強(qiáng)度，將會(huì)產(chǎn)生塑性變形，再加上相變的不同時(shí)性最終造成殘留應(yīng)力。由于材料和熱處理?xiàng)l件的不同，產(chǎn)生的殘留應(yīng)力分布也不相同。
1 熱應(yīng)力型殘留應(yīng)力
這類殘留應(yīng)力分布的特點(diǎn)是外表層為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。當(dāng)淬火無(wú)相變產(chǎn)生時(shí)（如奧氏體鋼淬火）， 殘留應(yīng)力完全是熱應(yīng)力產(chǎn)生的，稱這種分布為熱應(yīng)力型。但實(shí)際上有相變的淬火也可能出現(xiàn)這種分布的殘留應(yīng)力，我們將其統(tǒng)稱為熱應(yīng)力型殘留應(yīng)力。
（1) 產(chǎn)生純熱應(yīng)力型殘留應(yīng)力的條件。
材料的Ms 點(diǎn)低于室溫或加熱溫度低于奧氏體化溫度，冷卻過(guò)程中不存在相變，產(chǎn)生的殘留應(yīng)力就一定是熱應(yīng)力型的。
（2) 無(wú)相變冷卻時(shí)工件內(nèi)的溫度場(chǎng)、瞬態(tài)應(yīng)力和殘留應(yīng)力。
加熱的零件冷卻時(shí)通過(guò)界面向介質(zhì)傳遞熱量，工件表面溫度迅速下降，心部熱量的散失很緩慢。有人對(duì)直徑為Φ100mm的 Ni-Fe 試樣進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖5a）所示。其加熱溫度為850℃,在室溫水中冷卻。表面（R) 在數(shù)十秒內(nèi)降到了200℃, 心部（K) 仍保持在800℃左右（如圖中W處），此時(shí)心部和表面的溫差達(dá)到600℃左右。其后隨著心部熱量的傳出，溫度快速下降。零件外表的溫度由于心部熱量不斷傳遞，其下降速度大大降低，隨著心部的熱量逐漸減少，與表面的溫差也越來(lái)越小，最后同時(shí)達(dá)到淬火介質(zhì)的溫度。從圖可知，這時(shí)產(chǎn)生的殘留應(yīng)力為：表面（R) 為壓應(yīng)力，心部（K) 為拉應(yīng)力。
圖5 冷卻時(shí)不含相變過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力R-表面 K-心部
2 相變應(yīng)力型殘留應(yīng)力
它是在淬火時(shí)無(wú)瞬態(tài)熱應(yīng)力，殘留應(yīng)力完全由瞬態(tài)相變應(yīng)力產(chǎn)生。這是一種在生產(chǎn)實(shí)際中很少出現(xiàn)的情況，在分級(jí)和等溫淬火中才能有近似的結(jié)果。為此有人作了試驗(yàn)，將含w (Ni) 為17%的鋼材加熱到900℃奧氏體化后，緩冷至300~400℃, 奧氏體保留不分解，待試樣溫度均勻后（即完全消除瞬態(tài)熱應(yīng)力）再緩緩冷卻到Ms點(diǎn)以下產(chǎn)生馬氏體相變。這時(shí)表層因馬氏體相變而體積膨脹，它將受到未相變的心部的壓應(yīng)力，當(dāng)然相鄰的心部將受到拉應(yīng)力。這時(shí)表層可能被塑性壓縮使相變膨脹量減少；而心部被塑性拉伸，以后再相變時(shí)就比表面要多膨脹一些。這樣在全部相變結(jié)束后表面和心部的應(yīng)力狀態(tài)就會(huì)反向，即表面受拉，心部受壓。這就是典型的相變應(yīng)力型殘留應(yīng)力分布。有人對(duì)直徑為Φ50mm的w (Ni) 為17%的鋼材，進(jìn)行等溫淬火（從900℃緩冷到300℃, 然后在水中淬火）， 測(cè)試其殘留應(yīng)力分布如圖6所示。
圖6 相變型應(yīng)力分布形式
3 整體淬火時(shí)的殘留應(yīng)力
（1) 殘留應(yīng)力的產(chǎn)生。
實(shí)際的淬火過(guò)程大多是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力同時(shí)存在并相互作用，最后形成殘留應(yīng)力。因此材料的馬氏體相變點(diǎn) Ms和Mf對(duì)于殘留應(yīng)力的產(chǎn)生起著重要作用。當(dāng)然，材料的淬透性、殘留奧氏體量對(duì)殘留應(yīng)力的分布形態(tài)也有重大影響。由于過(guò)程很復(fù)雜，討論極占篇幅。因此不再詳述，讀者可閱讀有關(guān)專著。
（2) 整體淬火殘留應(yīng)力的分布如下：
1) 工件截面全淬透時(shí)，分別為以下情況：
①若材料Ms、Mf 點(diǎn)均很高，淬火后殘留應(yīng)力為熱應(yīng)力型。
②若材料 Ms 點(diǎn)較高，Mf 也高于室溫，淬火后殘留應(yīng)力近似于相變應(yīng)力型分布，但其表面殘留應(yīng)力近于零，在表層下產(chǎn)生拉應(yīng)力峰。
③若材料Ms點(diǎn)較低，Mf點(diǎn)低于室溫，則淬火后殘留應(yīng)力變?yōu)橄嘧儜?yīng)力型分布。
④若材料的Ms 點(diǎn)也低于室溫，則淬火后殘留應(yīng)力為熱應(yīng)力型分布。
2) 工件心部淬不透時(shí)，這時(shí)殘留應(yīng)力只呈現(xiàn)熱應(yīng)力型分布。
2.3 表面淬火的殘留應(yīng)力
2.3.1 殘留應(yīng)力的產(chǎn)生
1 表面淬火的特點(diǎn)
它是表面快速加熱后立即快速冷卻的工藝過(guò)程。這時(shí)工件分為表面加熱區(qū)、過(guò)渡區(qū)和心部未加熱區(qū)三個(gè)部分。其中發(fā)生馬氏體相變的只是表面的加熱區(qū)。所以其殘留應(yīng)力產(chǎn)生主要是由于相變的不均勻性。但是由于它的加熱過(guò)程和無(wú)相變整體加熱、冷卻不同，所以它的殘留應(yīng)力產(chǎn)生也更復(fù)雜，主要在過(guò)渡區(qū)會(huì)產(chǎn)生殘留應(yīng)力大幅度變化。
2 表面淬火的殘留應(yīng)力分布
如前所述，表面淬火時(shí)，表面淬火層因馬氏體相變而產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力，而心部為殘留拉應(yīng)力，過(guò)渡層恰好介于兩者之間，其外側(cè)為與表層壓應(yīng)力平衡的拉應(yīng)力，而內(nèi)側(cè)則為與心部拉應(yīng)力平衡的壓應(yīng)力。這就是在淬硬層內(nèi)由于其內(nèi)側(cè)的馬氏體轉(zhuǎn)變晚于最表面，從而對(duì)最表面先淬硬的馬氏體層產(chǎn)生拉應(yīng)力，而顯示出最表面壓應(yīng)力低頭現(xiàn)象的原因。圖7所示為45鋼不同直徑高頻感應(yīng)加熱淬火后的硬度和殘留應(yīng)力分布。
圖7 45鋼不同直徑高頻感應(yīng)加熱后的硬度分布和殘留應(yīng)力分布
2.3.2 影響表面淬火殘留應(yīng)力分布的因素
在表面淬火過(guò)程中主要的影響因素是淬硬層的截面積和工件截面積之比。即表層壓應(yīng)力數(shù)值隨比值的減小（即淬硬層越薄）而增大。圖8 所示為40Cr鋼的測(cè)試結(jié)果，同樣在直徑為Φ25mm的情況下，淬硬層越薄則殘留壓應(yīng)力值越大。
圖8 淬硬層深度對(duì)高頻感應(yīng)淬火殘留應(yīng)力的影響
此外，材料高溫屈服強(qiáng)度越高，Ms 點(diǎn)越低則淬硬層壓應(yīng)力值越低。這兩個(gè)因素的影響在各種熱處理淬火過(guò)程中都存在。
2.4 表面化學(xué)熱處理的殘留應(yīng)力
2.4.1 滲碳淬火的殘留應(yīng)力
1 滲碳淬火的特點(diǎn)
（1) 溫度和熱應(yīng)力分布。滲碳淬火是整體加熱、保溫和冷卻，所以其溫度場(chǎng)和瞬態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)的分布變化狀況和前述的整體淬火基本相同。
（2) 滲碳層中碳含量及Ms點(diǎn)的分布。由于滲碳層中的碳含量是從表面向內(nèi)逐步下降到母材碳含量，即存在分布梯度，所以相應(yīng)地存在馬氏體點(diǎn)Ms從低向高分布的梯度。圖9所示為兩種滲碳鋼淬火時(shí)溫度的分布和Ms點(diǎn)的溫度分布。
（3) 相變特點(diǎn)。滲碳淬火時(shí)馬氏體相變不是從表層開(kāi)始，而是從滲碳層和心部的過(guò)渡區(qū)開(kāi)始的。從圖9中各時(shí)刻滲碳層中溫度分布曲線可看出，由于溫度場(chǎng)梯度小于Ms點(diǎn)分布梯度，所以其交點(diǎn)在滲層最終點(diǎn)。馬氏體相變也從此開(kāi)始，然后向兩邊發(fā)展。這與一般的整體淬火以及表面淬火均不相同。當(dāng)然這樣也就使?jié)B碳淬火的殘留應(yīng)力分布有自己的特點(diǎn)。
圖9 滲碳鋼淬火時(shí)溫度的分布和Ms點(diǎn)的溫度
2 滲碳淬火的殘留應(yīng)力產(chǎn)生和分布
由于前述滲碳淬火時(shí)相變開(kāi)始點(diǎn)的與眾不同，因此它首先在滲碳層與基體交界處產(chǎn)生馬氏體相變膨脹，使兩側(cè)產(chǎn)生塑性拉伸，而自身被塑性壓縮，隨后馬氏體相變向兩側(cè)擴(kuò)展時(shí)，已相變區(qū)（如圖10中①區(qū)所示）變成剛性墻，使兩側(cè)的相變膨脹受阻，所以兩側(cè)受壓，①區(qū)受拉使原來(lái)產(chǎn)生的壓應(yīng)力減少，其過(guò)程如圖8-10所示。其中①、②、③、④區(qū)為不同時(shí)刻相變區(qū)，而1、2、3、4曲線為該時(shí)刻的應(yīng)力分布，其中曲線4即為最后的殘留應(yīng)力分布。
圖10 滲碳淬火鋼急冷相變擴(kuò)展時(shí)的相變區(qū)域和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布
至于影響滲碳?xì)埩魬?yīng)力分布的因素則和表面淬火相同。即滲層面積與總面積之比越小，表面壓應(yīng)力越大。其次則是材料的高溫屈服強(qiáng)度，其值越高則殘留應(yīng)力值越小。滲碳?xì)埩魬?yīng)力的最大特點(diǎn)是抗衰減能力極強(qiáng)。
2.4.2 滲氮、滲硼時(shí)的殘留應(yīng)力
這兩種化學(xué)熱處理的特點(diǎn)是處理的溫度比滲碳低，處理后不再淬火，只是靠在工件表面形成高硬度的化合物（氮化物、硼化物）層來(lái)強(qiáng)化工件的表面。而產(chǎn)生的化合物層的比體積均遠(yuǎn)大于基體，所以產(chǎn)生后將受到基體巨大的壓應(yīng)力。而且化合物層深一般均小于0.1mm, 所以應(yīng)力分布也較集中，若在化合物層與基體交界處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力峰則可能造成化合物層剝落。圖11所示為滲氮所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。從圖可知，非滲氮鋼45 鋼滲氮效果遠(yuǎn)低于滲氮鋼，這和化合層形成不良有關(guān)。
圖11 滲氮所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力
2.5 表面強(qiáng)化的殘留應(yīng)力
2.5.1 噴丸處理的殘留應(yīng)力
噴丸處理是目前表面強(qiáng)化的一個(gè)重要手段，它往往是和熱處理綜合起來(lái)使用。例如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿、車(chē)用的各種彈簧以及經(jīng)表面淬火、滲碳淬火后的齒輪等工件再施以噴丸處理，以提高其疲勞強(qiáng)度。
其殘留應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理也較簡(jiǎn)單，它是用高壓壓縮空氣將硬質(zhì)彈丸（淬硬鋼丸、玻璃丸等）， 噴射到工件表面，使工件表面層產(chǎn)生塑性變形，且沿表面被延展，從而因基體（未變形）對(duì)表面層變形的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)力。此壓應(yīng)力的大小、分布、層深和噴丸強(qiáng)度以及材料的組織、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)等均有關(guān)。對(duì)55SiMnVB 鋼的板簧，經(jīng)中頻感應(yīng)加熱到870°C, 油淬，然后經(jīng)500~530°C回火，心部硬度≥407HBW, 屈服強(qiáng)度σ0. 2=1300MPa, 然后將試樣利用彎曲在噴丸表面加上-980MPa, 0, +500MPa,＋750MPa,＋1000MPa 的預(yù)應(yīng)力，在噴丸強(qiáng)度0.18~0.20C 的條件下進(jìn)行噴丸處理后其殘留應(yīng)力分布的測(cè)定值如圖12所示。
圖12 不同噴丸狀態(tài)的55SiMnVB鋼試樣的殘留應(yīng)力分布曲線
從圖中可知，此時(shí)噴丸使工件表面小于1mm的層深內(nèi)產(chǎn)生了極大的壓縮殘留應(yīng)力。但是若噴丸表面是處于壓應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下，則噴丸的效果為零，與未噴丸試樣的殘留應(yīng)力相一致。
2.5.2 表面滾壓產(chǎn)生的殘留應(yīng)力
它是用加上一定載荷的淬硬鋼輪在工件表面進(jìn)行滾壓，使其表面產(chǎn)生與噴丸類似的塑性變形層，從而在工件表層產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力。圖13為20CrMo鋼Φ60mm圓柱表面經(jīng)加載250MPa、350MPa、450MPa的滾輪滾壓后的殘留應(yīng)力分布（試樣預(yù)先經(jīng)滲碳淬火）。
圖13 20CrMo鋼滾壓后的殘留應(yīng)力
來(lái)源：每天學(xué)點(diǎn)熱處理
