热应力知识

为了把组织应力与热应力分开，在研究热应力时，选择不发生相变的钢，例如奥氏体级钢，从加热温度直至室温均保持奥氏体状态。设加热温度为T0，均温（即心部与表面温度均达到T0）后迅速投入淬火介质中冷却，其心部和表面温度将按图1随着时间的延长而下降。

图1 工件冷却时热应力变化示意图

下面分析其冷却过程中热应力的变化。

在时间τ₀至τ₁这段时间内，工件表面与淬火介质的温度差别很大，散热很快，因而温度下降得很快，设下降到T₁；心部靠工件内部温差由热传导方式散热，温度下降很慢，设下降到T’₁；心部和表面产生很大的温差T₁-T’₁，工件因温度下降导致体积收缩（冷缩）。表面部位温度低，收缩得多；心部温度下降得少，收缩得少。在同一工件上，因内外收缩量不同，则相互之间发生作用力。表面因受心部抵 制收缩力而胀大，故表面产生张应力（也称拉应力）；而心部则相反，产生压应力。（注：如果清楚了表面的受力方向，可以根据高中物理讲述的受力分析来理解，“力的作用是相互的、也是相反的”。即：如果表面受拉应力，心部肯定就是受压应力；反之，则亦然）

当应力增大至一定值时，例如在τ₁时刻，由于此时温度比较高，材料屈服强度比较低，将产生塑性变形，松弛一部分弹性应力，其表面和心部应力如图2所示。

图2 工件冷却时热应力变化示意图

再继续冷却时，由于表面温度已较低，与介质间的热交换已较少，故温度下降得较慢；而心部由于与表面温差大，故流向表面的热流较大，温度下降得快。

故此，在τ₁-τ₂这段时间内，表面收缩得比较慢，比体积减得少；而心部由于温度下降得多，收缩得比较快，比体积减得多。如此至τ₂时有可能表面和心部的比体积差减少，相互胀缩的牵制作用减少，内应力减少。

因为在τ₁时产生的塑性变形削去了部分内应力，因此在此时刻附近，有可能发生表面的温度虽仍低于心部，但此时内应力为零。

再进一步冷却由τ₂至τ₃，表面和心部均达到室温。但由于τ₂时心部温度T’₂高于表面温度T₂，故在这段时间内心部收缩得比表面多。由于τ₂时工件内应力为零，此时将再次产生内应力，心部为拉应力，表面为压应力。因此温度很低，材料屈服强度较高，不发生塑性变形，内应力不会削减，此应力将残留于工件内（残余应力）。

因此可以得出结论，淬火冷却时，由于热应力引起的残余应力表面为压应力，心部为拉应力（注：也称张应力）。图3所示为淬火冷却过程中热应力变化及最终残余应力。

图3 工件冷却时热应力变化示意图

综上所述，淬火冷却时产生的热应力是由于冷却过程中界面温度差所造成，冷却速度越大，截面温差越大，则产生的热应力越大。在相同冷却介质条件下，工件加热温度越高、尺寸越大、钢材热导率越小，工件内温差越大，热应力越大。

在高温时若冷却不均匀，将会发生扭曲变形。

（注：从这里可以联想到淬火介质中涉及到的“特性温度Tvp-为蒸汽膜破裂向沸腾阶段转化的温度”这个关键词：若冷却介质特性温度低，则蒸汽膜阶段时间长，加上高温时工件塑性好，所以很容易产生热应力型变形；而随着温度的降低，材料屈服强度升高，热应力型变形就会减小很多。所以工件淬火时的热应力型变形主要发生在高温阶段。

而以前很多采用的是普通机械油淬火，它的特性温度较低，热应力型变形趋势较现在专用淬火油就会大很多）

在冷却过程中，当瞬时拉应力大于破断强度时，将会产生淬火裂缝。（注：一般而言，表面受压应力是不会产生裂纹的，主要还是拉应力影响大）

应该指出，上述淬火过程中热应力变化规律分析是很粗糙的，在工件内部的应力状态很复杂，其动态变化过程的测定或计算都很困难。因此，一般都测定最终残存于工件内部的残余应力，但这样的分析思路可供我们学习。

淬火时的热应力

本期文章和大家分享了淬火时热应力的分析过程，总的而言，文章分析得比较透彻，但理解起来稍微需要点时间。若能理论结合实践，多分析、多消化，融会贯通也就不是问题了。

好的，本期文章到此就结束了，欲知后续精彩内容，且看下期分解。