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   一般而言，淬火時(shí)出現(xiàn)熱應(yīng)力，這是我們大家都知道的現(xiàn)象。基本也能明白，熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于工件不同部位冷卻不同時(shí)所造成的。

      然而，具體到冷卻過程中工件表面和心部的受力分析，估計(jì)很多熱處理人還是很比較模糊的。畢竟這種應(yīng)力屬于一種動(dòng)態(tài)的變化過程，首先從主觀上就認(rèn)為自己不會(huì)分析，因此也就沒有繼續(xù)研究的勇氣。

    其實(shí)，當(dāng)你了解了它之后，對(duì)于日常工作中遇到的變形、開裂等問題的分析，能夠提供很多的思路。

淬火時(shí)熱應(yīng)力分析

     為了把組織應(yīng)力與熱應(yīng)力分開，在研究熱應(yīng)力時(shí)，選擇不發(fā)生相變的鋼，例如奧氏體級(jí)鋼，從加熱溫度直至室溫均保持奧氏體狀態(tài)。設(shè)加熱溫度為T0，均溫（即心部與表面溫度均達(dá)到T0）后迅速投入淬火介質(zhì)中冷卻，其心部和表面溫度將按圖1隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。

圖1 工件冷卻時(shí)熱應(yīng)力變化示意圖

     下面分析其冷卻過程中熱應(yīng)力的變化。

    在時(shí)間τ0至τ1這段時(shí)間內(nèi)，工件表面與淬火介質(zhì)的溫度差別很大，散熱很快，因而溫度下降得很快，設(shè)下降到T1；心部靠工件內(nèi)部溫差由熱傳導(dǎo)方式散熱，溫度下降很慢，設(shè)下降到T’1；心部和表面產(chǎn)生很大的溫差T1-T’1，工件因溫度下降導(dǎo)致體積收縮（冷縮）。表面部位溫度低，收縮得多；心部溫度下降得少，收縮得少。在同一工件上，因內(nèi)外收縮量不同，則相互之間發(fā)生作用力。表面因受心部抵制收縮力而脹大，故表面產(chǎn)生張應(yīng)力（也稱拉應(yīng)力）；而心部則相反，產(chǎn)生壓應(yīng)力。（注：如果清楚了表面的受力方向，可以根據(jù)高中物理講述的受力分析來理解，“力的作用是相互的、也是相反的”。即：如果表面受拉應(yīng)力，心部肯定就是受壓應(yīng)力；反之，則亦然）

     當(dāng)應(yīng)力增大至一定值時(shí)，例如在τ1時(shí)刻，由于此時(shí)溫度比較高，材料屈服強(qiáng)度比較低，將產(chǎn)生塑性變形，松弛一部分彈性應(yīng)力。

     再繼續(xù)冷卻時(shí)，由于表面溫度已較低，與介質(zhì)間的熱交換已較少，故溫度下降得較慢；而心部由于與表面溫差大，故流向表面的熱流較大，溫度下降得快。

     故此，在τ1-τ2這段時(shí)間內(nèi)，表面收縮得比較慢，比體積減得少；而心部由于溫度下降得多，收縮得比較快，比體積減得多。如此至τ2時(shí)有可能表面和心部的比體積差減少，相互脹縮的牽制作用減少，內(nèi)應(yīng)力減少。

     因?yàn)樵?tau;1時(shí)產(chǎn)生的塑性變形削去了部分內(nèi)應(yīng)力，因此在此時(shí)刻附近，有可能發(fā)生表面的溫度雖仍低于心部，但此時(shí)內(nèi)應(yīng)力為零。

     再進(jìn)一步冷卻由τ2至τ3，表面和心部均達(dá)到室溫。但由于τ2時(shí)心部溫度T’2高于表面溫度T2，故在這段時(shí)間內(nèi)心部收縮得比表面多。由于τ2時(shí)工件內(nèi)應(yīng)力為零，此時(shí)將再次產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力，表面為壓應(yīng)力。因此溫度很低，材料屈服強(qiáng)度較高，不發(fā)生塑性變形，內(nèi)應(yīng)力不會(huì)削減，此應(yīng)力將殘留于工件內(nèi)（殘余應(yīng)力）。

     因此可以得出結(jié)論，淬火冷卻時(shí)，由于熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力（注：也稱張應(yīng)力）。

     綜上所述，淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力是由于冷卻過程中界面溫度差所造成，冷卻速度越大，截面溫差越大，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大。在相同冷卻介質(zhì)條件下，工件加熱溫度越高、尺寸越大、鋼材熱導(dǎo)率越小，工件內(nèi)溫差越大，熱應(yīng)力越大。

     在高溫時(shí)若冷卻不均勻，將會(huì)發(fā)生扭曲變形。

    （注：從這里可以聯(lián)想到淬火介質(zhì)中涉及到的“特性溫度Tvp-為蒸汽膜破裂向沸騰階段轉(zhuǎn)化的溫度”這個(gè)關(guān)鍵詞：若冷卻介質(zhì)特性溫度低，則蒸汽膜階段時(shí)間長(zhǎng)，加上高溫時(shí)工件塑性好，所以很容易產(chǎn)生熱應(yīng)力型變形；而隨著溫度的降低，材料屈服強(qiáng)度升高，熱應(yīng)力型變形就會(huì)減小很多。所以工件淬火時(shí)的熱應(yīng)力型變形主要發(fā)生在高溫階段。而以前很多采用的是普通機(jī)械油淬火，它的特性溫度較低，熱應(yīng)力型變形趨勢(shì)較現(xiàn)在專用淬火油就會(huì)大很多）。

      在冷卻過程中，當(dāng)瞬時(shí)拉應(yīng)力大于破斷強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生淬火裂縫。（注：一般而言，表面受壓應(yīng)力是不會(huì)產(chǎn)生裂紋的，主要還是拉應(yīng)力影響大）。

     應(yīng)該指出，上述淬火過程中熱應(yīng)力變化規(guī)律分析是很粗糙的，在工件內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)變化過程的測(cè)定或計(jì)算都很困難。因此，一般都測(cè)定最終殘存于工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，但這樣的分析思路可供我們學(xué)習(xí)。

結(jié)束語

      本期文章和大家分享了淬火時(shí)熱應(yīng)力的分析過程，總的而言，文章分析得比較透徹，但理解起來稍微需要點(diǎn)時(shí)間。若能理論結(jié)合實(shí)踐，多分析、多消化，融會(huì)貫通也就不是問題了。