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淬火時組織應力分析

     為了把熱應力分開，選用C曲線很靠右的鋼，以便從淬火加熱溫度以極緩慢的冷卻速度降溫至Ms點的過程中，不發(fā)生其他轉(zhuǎn)變。因為冷卻速度很慢，故在冷至Ms點時，工件內(nèi)沒有溫差發(fā)生與存在，因而也無熱應力的發(fā)生。

     到Ms點后，突然采用快冷，由于表面直接與淬火介質(zhì)接觸，冷卻很快，而心部靠其與表面的溫差以熱傳導的方式散熱，溫度下降極慢，由開始冷卻τ0至τ1時刻內(nèi)，表面溫度下降至Ms點以下的很大溫度范圍，則將有大量奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，因而比體積增大，而心部溫度下降很少，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體數(shù)量很少，比體積變化不大。故發(fā)生與熱應力變化開始階段相類似，但應力類型恰好相反的情況，即表面的膨脹受到心部的抑制，從而產(chǎn)生壓應力，心部則受拉應力，如圖1所示的τ1處。

圖1 圓柱鋼試樣截面上在冷卻過程中組織應力的變化

     由于此時心部仍處于奧氏體狀態(tài)，塑性較好，因此當應力超過其屈服強度時將產(chǎn)生塑性變形，削去部分內(nèi)應力。再繼續(xù)冷卻，可用與熱應力分析相類似的方法，相當于τ2處心部和表面內(nèi)應力趨向零。

     再繼續(xù)冷卻，由于心部和表面都有大量馬氏體存在，屈強比提高，不易發(fā)生塑性變形，最后當心部和表面溫度一致時，試樣內(nèi)仍殘存著內(nèi)應力，此時由于組織應力所引起的殘余內(nèi)應力，其表面為拉應力，心部為壓應力。

     顯然，計算淬火冷卻過程中組織應力的應力場要比熱應力場的計算復雜得多。同樣它以冷卻過程中溫度場的計算為出發(fā)點，但在計算出溫度場的變化后，接下來要考慮的問題就比較復雜，最簡單的情況是鋼能完全被淬透得到100%馬氏體，不考慮熱應力，此時應考慮工件內(nèi)各點到達Ms點的時刻。隨著工件內(nèi)溫度場的變化，根據(jù)Ms點計算出工件內(nèi)各點隨著溫度下降而發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變量，從而計算出各點的比體積變化，再用彈塑性力學與上述熱應力場的計算類似，計算組織應力場的變化，從而得到瞬時組織應力分布和最終殘余應力分布（應力場）。

     但是如果該工件不能被淬透，則某些冷卻速度較小處將出現(xiàn)非馬氏體轉(zhuǎn)變，此時組織應力的計算更為復雜。首先應根據(jù)溫度場的變化，計算出工件內(nèi)各點的冷卻速度，再根據(jù)該種鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，計算出工件內(nèi)各點的相場變化（即工件內(nèi)不同時刻的組織分布），再根據(jù)不同組織的比容及機械性能，計算應力場的變化，從而得到各點的瞬時組織應力及殘余組織應力。

圖2 含Ni（ωNi=16%）的Fe-Ni合金圓柱試樣（直徑50mm）自900℃緩冷至330℃，急冷至室溫后的殘余內(nèi)應力（組織應力）

     圖2為含Ni（ω=16%）的Fe-Ni合金圓柱試樣（直徑50mm）自900℃緩冷至330℃（Ms點附近），再急冷至室溫后的殘余內(nèi)應力，這種應力主要是組織應力。由圖可見，由于組織應力引起的殘余應力：軸向、切向、表面為拉應力，且切向表面拉應力較軸向的大；徑向為壓應力，最大壓應力在中心。

     從上面的分析，不難得知，組織應力的大小，除與鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的冷卻速度、鋼件尺寸、鋼的導熱性及奧氏體的屈服強度有關外，還與鋼的含碳量、馬氏體的比體積及鋼的淬透性等有關。

結束語

     本期文章和大家分享了淬火時組織應力的分析過程，文章分析得很細，也很到位；具體如何熟能生巧的應用，還是需要大家多思考了