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淬火内应力、热应力、组织应力的产生原因及过冷过程中的应力状态变化
在金属热处理过程中，淬火是提升材料硬度和耐磨性的重要手段，但同时也会引入内应力，这些内应力主要包括淬火内应力、热应力和组织应力。本文将从这些应力的产生原因以及过冷过程中的应力状态变化进行详细探讨。
一、淬火内应力的产生原因
淬火内应力是工件在淬火过程中由于不同部位变温速度的差异和组织转变不同时所引起的内应力。这种应力的产生主要源于以下几个方面：
变温速度的差异：在淬火冷却时，工件表面的冷却速度通常比心部快，导致表面和心部之间产生较大的温差。由于材料热胀冷缩的特性，这种温差会引起内部应力的产生。冷却初期，表面受拉而心部受压；随着冷却的继续，表面逐渐受压而心部受拉。这种由于温度变化速度不同而产生的应力称为热应力。
组织转变的差异：在淬火过程中，工件表面的组织会比心部更早地发生转变，如奥氏体转变为马氏体。由于马氏体的比容大于奥氏体，这种组织转变会导致体积的膨胀。由于表面和心部的组织转变不同时，会产生组织应力。冷却初期，表面受压而心部受拉；冷却后期，随着马氏体量的增多，表面受拉而心部受压。
弹性和塑性变形的差异：淬火过程中，由于热应力和组织应力的共同作用，工件内部会发生弹性和塑性变形。这些变形的不一致性会进一步加剧内应力的产生。当应力超过材料的屈服极限时，会发生局部塑性变形，导致应力状态的变化。
二、热应力的产生及过冷过程中的应力状态变化
热应力是由于物体在温度变化过程中，由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。在淬火过程中，热应力的产生和变化可以细分为以下几个阶段：
冷却初期（τ0至τ1）：在这个阶段，工件表面开始迅速冷却，而心部温度仍然较高。由于表面受冷收缩，而心部尚未冷却，因此表面受拉而心部受压。随着冷却的进行，这种温差逐渐增大，热应力也逐渐增大。在这一阶段，对于屈服强度不高的材料，如钢铁等，工件的两部分都可能发生轴向的塑性变形，表面拉伸而心部压缩。
冷却中期（τ1至τ2）：在这一阶段，工件表面的温度已经接近室温，而心部温度仍然较高。由于心部的继续冷却和收缩，表面开始受到压缩应力，而心部受到拉伸应力。这种应力状态的变化是由于表面和心部之间的温度差逐渐减小所导致的。
冷却后期（τ2至τ3）：当工件整体冷却到室温时，热应力达到最终状态。此时，由于表面和心部的温度已经趋于一致，热应力主要表现为残留热应力。这种残留热应力的大小取决于材料的屈服强度和塑性变形能力。如果材料的塑性不良，内应力将迅速超过断裂强度而导致开裂。
三、组织应力的产生及过冷过程中的应力状态变化
组织应力是由于材料在热处理过程中组织转变不同时所引起的内应力。在淬火过程中，组织应力的产生和变化与热应力密切相关，但又有其独特的特点：
马氏体转变：在淬火过程中，随着温度的降低，奥氏体逐渐转变为马氏体。由于马氏体的比容大于奥氏体，这种组织转变会导致体积的膨胀。如果工件表面和心部的组织转变不同时，就会产生组织应力。冷却初期，表面先开始马氏体转变，体积增大而受到心部的阻碍，因此表面受压而心部受拉。
冷却速度的影响：冷却速度的不同也会影响组织应力的产生和变化。在冷却过程中，如果工件表面和心部的冷却速度差异较大，就会导致组织转变的不同步性加剧，从而增大组织应力。
组织应力和热应力的相互作用：在淬火过程中，组织应力和热应力是同时存在的。它们的方向和作用效果可能相互抵消或相互加强。在Ms点以上（奥氏体稳定区），主要存在热应力；在Ms点以下（马氏体转变区），热应力和组织应力同时存在并相互作用。由于马氏体相变引起的线膨胀量大于热膨胀，因此在Ms点以下组织应力起主要作用。
四、淬火组织应力变化的实例
材料名称：45钢
处理状态：不同温度下的淬火处理
1. 700℃保温15分钟水淬
组织说明：由于加热温度较低（700℃），处于欠热淬火状态，组织主要由白色不规则多边形的铁素体及片状珠光体、点状珠光体组成。由于保温时间较短，部分珠光体中的渗碳体破碎成点状后还未聚集长大就进行水冷，形成了部分点状珠光体。
组织应力变化：由于加热温度低，奥氏体转变不完全，且冷却过程中组织转变不同步性较小，因此组织应力相对较小。但由于冷却速度较快，仍会产生一定的热应力和残余应力。
2. 760℃保温15分钟水淬
组织说明：组织中出现较多白色多角状及块状未溶铁素体、少量沿晶界析出的黑色托氏体及灰白色马氏体和残留奥氏体。随着加热温度的提高，未溶铁素体的量有所减少，但组织仍不均匀。
组织应力变化：由于加热温度的提高，奥氏体转变更加充分，但保温时间仍较短，导致组织转变不同步性增加。在淬火冷却过程中，不同部位的组织转变速度不同，产生较大的组织应力。同时，由于冷却速度较快，热应力也较大。
3. 830℃保温15分钟水淬
组织说明：淬火组织为中碳马氏体及白色残留奥氏体，马氏体的形态为板条状和片状的混合体。组织更加均匀，马氏体含量增加。
组织应力变化：在此温度下淬火，奥氏体转变更加完全，组织更加均匀。但由于马氏体转变引起的体积膨胀较大，且冷却速度较快，导致组织应力显著增加。同时，由于马氏体的高硬度和脆性，使得工件在淬火后更容易产生裂纹。
4. 840℃保温25分钟水淬
组织说明：淬火组织同样为中碳马氏体及白色残留奥氏体，但马氏体形态和分布可能因具体工艺条件而有所差异。在某些情况下，可能出现非马氏体组织如托氏体等。
组织应力变化：在较高温度下长时间保温后淬火，奥氏体转变更加充分且均匀。然而，由于冷却速度和水淬条件的不同，可能导致组织转变的不同步性增加。特别是当工件表面和心部的冷却速度差异较大时，会产生较大的组织应力和热应力。此外，非马氏体组织的出现也会进一步增加组织应力的复杂性。
五、结论
淬火内应力、热应力和组织应力是淬火过程中不可避免的内应力形式。它们的产生和变化受到多种因素的影响，包括变温速度的差异、组织转变的不同时性、材料的弹性和塑性变形能力等。在淬火过程中，这些内应力可能会导致工件的变形和开裂等缺陷。因此，在实际生产中需要采取合理的工艺措施来减小和控制这些内应力的大小和分布。例如通过调整淬火介质的温度、流量和搅拌方式等来控制冷却速度；通过预热和回火等工艺来消除或减小残留内应力等。
