3.2　淬火应力分析

钢铁零件在热处理加热和冷却过程中，由于热胀冷缩和发生组织相变时新旧组织比体积（或比容）的差异，必然发生体积的变化。需要特别注意的是零件在冷却的过程中，表面和心部存在温度的差异，加上组织相变的不同时性和相变量的不同，将造成钢铁零件表面和心部的体积变化无法同步进行，因此产生内应力。按照内应力产生的原因和机理的差异，可将其分为两种，即热应力和组织应力，它们对于零件的热处理变形和表面的技术要求有十分重要的影响，下面分别介绍。

内应力的组成一是热应力，零件在热胀状态下快速冷却，进入冷却状态从而产生了热应力；二是组织应力，是指在冷却过程中，零件自奥氏体转变为马氏体组织，二者存在比容的不同，因此组织转变时同一零件的体积先后膨胀，引起了比容的变化以及组织转变的不同时性从而产生了组织应力。内应力为热应力和组织应力复合作用，从而引起工件的变形。另外零件的吊挂、装炉不当、冷却时的碰撞、产品形状设计缺陷、选材不当以及热处理工艺参数等也将会对零件的内应力有一定的影响，最终影响到零件的变形。

零件在热处理过程中，热处理应力是引起零件几何形状改变的原因。考虑到零件内应力既有有利的方面，也有需克服的致命缺陷，因此掌握控制内应力的方法对于生产出合格的产品至关重要。

3.2.1　热应力

热应力是指零件在热处理加热和组织转变过程中，零件各部分之间存在温差，造成热胀冷缩时先后不一致而产生的内应力。零件从高温冷却时，体积收缩，零件的表面冷却快，将首先收缩，而心部冷却慢，最后收缩。零件冷却的初期，表面的收缩会受到未转变的心部的阻碍，而心部受到表层的挤压，在冷却的后期则情况与此相反。因此在零件的冷却过程中，其各部分的收缩的不一致性，产生了内应力。由于零件内部产生内应力的作用，按作用性质分为张应力和压应力两种，按形成原因分为热应力和组织应力两类。我们知道热应力是其零件在加热和冷却过程中，其内部各点温度不同时性而形成的，因此温度越高，热应力越大，通常零件心部产生的热应力最大。热应力的形成是比较复杂的，其大小取决于材料的热导率和热膨胀系数，热应力的大小与热膨胀系数和热导率的比值成正比，表3-4为钢和铸铁中各种相的热导率和热膨胀系数。常用钢的热导率和热膨胀系数见表3-5。

从表中可以看出，热应力大小与热膨胀系数和热导率的比值成正比。由此可见材料的热应力与存在的组织状态有关，产生的应力塑性变形大小是有区别的，在实际的热处理过程中，应具体分析和采取必要的措施，控制零件的变形量使之符合技术要求，满足工作需要。热应力变形的实质是零件内外热胀冷缩的不同时性引起零件体积的重新分布，这将导致零件的变形。

3.2.2　组织应力

组织应力是在零件的加热和冷却过程中存在温度差，零件因内各部分组织转变非同时性和不一致性而形成的内应力，即为组织应力。淬火马氏体的比容比奥氏体大，因此奥氏体向马氏体转变时，必然引起零件的体积膨胀。在淬火过程中，为了获得马氏体组织，要采取大于临界冷却速度的冷速进行冷却，因此要产生显著的组织应力。零件各部分的冷却速度不同，表面温度冷到M_s点以下发生组织的转变和体积的膨胀，图3-2为在淬透的情况下，零件表层和心部产生的组织应力的变化过程。

零件在热处理过程中热应力和组织应力同时存在，因此两种应力相互作用。当两种应力在某一瞬间综合效果超过材料的屈服强度，引起组织不可逆的应力变形，就造成零件的变形。

组织应力引起变形的基本规律与热应力的作用情况相反，等温层面积使最后冷却的长度尺寸胀大，端面缩小，尖角突起，表面内凹，因此热处理过程引起组织应力变形，同时也造成热应力变形和体积的变形。影响淬火钢中应力分布的因素大致见表3-6。表3-7列出了引起体积变化和形状变化的原因。

零件中内应力的消除方法是进行去应力退火，由于材料在塑性状态下，应力使工件“复苏”而变形，因此温度提高则材料的塑性越好，应力的消除越彻底。事实证明去应力退火的温度在500℃以下没有效果，一般温度在550～650℃，例如45钢采用550℃，38CrMoVAl使用600℃进行退火处理。其去应力的温度与材料的屈服强度有关，屈服强度高则退火温度也需要提高，去应力退火多用于减小零件的变形，尤其是对减小零件渗氮后变形十分有益。

淬火时工件产生内应力，当零件的内应力超过了材料的弹性极限，则产生塑性变形。一般材料的热膨胀系数α=11.5×10^-6℃^-1，弹性模量E=205.8GPa，泊松比μ=0.3，淬火温度为T₁=830℃，冷却后T₂=180℃。工件加热后快冷，由热胀到冷缩状态下工件的内应力的计算：，由此可见一般钢的弹性极限小于该数值，因此不可避免地产生塑性变形。