Question

热处理造成的表面残余压应力和拉应力是怎么定义的?方向是怎样的 ?

Answer 1

炽热钢件淬火时，表面部分首先收缩，芯部由于相对温度较高而抗拒收缩，从而产生了工件内部的热应力，表面受拉，芯部受压。此时由于温度较高，材料很容易发生屈服变形，微量的屈服变形释放了部分的热应力，结果是表面被胀大（相对于室温下的尺寸，而不是高温下的）而芯部被压缩变小。稍后等到表面温度降到一定水平不再继续下降，此时芯部温度较高温度继续降低，体积继续缩小。首先平衡之前的残余应力，之后受到较高强度的表面组织的约束，芯部难以继续收缩，此时表面受压，芯部受拉。这就是无相变情况下的热应力。另一方面，冷却到马氏体转变开始线之下后，表面部分首先产生马氏体组织体积胀大，芯部牵制，于是表面受压，芯部受拉。此时温度更低，强度更高，于是更微量的塑性变形产生了。稍后芯部也发生转变而胀大，首先平衡之前的残余应力，之后受高强表面的约束产生应力。结果是表面受拉，芯部受压。这就是不考虑热胀冷缩的组织应力。每次都是呆了吧唧的芯部落后半拍先给挤变形，等到自己回过味的时候人家表面已经硬起来了所以受欺负。
以上两力叠加就是最后的淬火应力状态了。所以残余应力有热应力型和组织应力型之分，具体应该根据材料特性和冷却速度的区别，看哪种应力处于主导地位。贝氏体比体积变化不明显，所以组织应力不明显。一般马氏体淬火最后都是表面受拉，芯部受压，除了渗碳钢。渗碳钢芯部没有马氏体转变，所以只有表面胀大，表面受压。而渗碳层内越表面C含量越高，导致马氏体转变开始温度越低，从而胀大开始的时间反而滞后于次表层，因而越表层压应力越明显。脱碳层的情况刚好与此相反。要说明的一点是，我这里说的拉应力和压应力都是切向的，不是径向力，具体参见各位的裤腰带。假想一下，芯部（也就是你的肚子）胀大的时候，表层组织所受的拉应力再罗嗦一句，热应力的问题还可以联系到加热阶段。快速的加热应该有可能使得工件在入油之前表面已经产生一定的拉应力！只是由于加热相对于淬火过程其烈度是非常温和的，并且高温下的应力也是很容易得到释放的，所以其应力水平也是极其有限的。