淬火时组织应力分析

     为了把热应力分开，选用C曲线很靠右的钢，以便从淬火加热温度以极缓慢的冷却速度降温至Ms点的过程中，不发生其他转变。因为冷却速度很慢，故在冷至Ms点时，工件内没有温差发生与存在，因而也无热应力的发生。

     到Ms点后，突然采用快冷，由于表面直接与淬火介质接触，冷却很快，而心部靠其与表面的温差以热传导的方式散热，温度下降极慢，由开始冷却τ0至τ1时刻内，表面温度下降至Ms点以下的很大温度范围，则将有大量奥氏体转变成马氏体，因而比体积增大，而心部温度下降很少，奥氏体转变成马氏体数量很少，比体积变化不大。故发生与热应力变化开始阶段相类似，但应力类型恰好相反的情况，即表面的膨胀受到心部的抑制，从而产生压应力，心部则受拉应力，如图1所示的τ1处。

图1 圆柱钢试样截面上在冷却过程中组织应力的变化

     由于此时心部仍处于奥氏体状态，塑性较好，因此当应力超过其屈服强度时将产生塑性变形，削去部分内应力。再继续冷却，可用与热应力分析相类似的方法，相当于τ2处心部和表面内应力趋向零。

     再继续冷却，由于心部和表面都有大量马氏体存在，屈强比提高，不易发生塑性变形，最后当心部和表面温度一致时，试样内仍残存着内应力，此时由于组织应力所引起的残余内应力，其表面为拉应力，心部为压应力。

     显然，计算淬火冷却过程中组织应力的应力场要比热应力场的计算复杂得多。同样它以冷却过程中温度场的计算为出发点，但在计算出温度场的变化后，接下来要考虑的问题就比较复杂，最简单的情况是钢能完全被淬透得到100%马氏体，不考虑热应力，此时应考虑工件内各点到达Ms点的时刻。随着工件内温度场的变化，根据Ms点计算出工件内各点随着温度下降而发生的马氏体转变量，从而计算出各点的比体积变化，再用弹塑性力学与上述热应力场的计算类似，计算组织应力场的变化，从而得到瞬时组织应力分布和最终残余应力分布（应力场）。

     但是如果该工件不能被淬透，则某些冷却速度较小处将出现非马氏体转变，此时组织应力的计算更为复杂。首先应根据温度场的变化，计算出工件内各点的冷却速度，再根据该种钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线，计算出工件内各点的相场变化（即工件内不同时刻的组织分布），再根据不同组织的比容及机械性能，计算应力场的变化，从而得到各点的瞬时组织应力及残余组织应力。

图2 含Ni（ωNi=16%）的Fe-Ni合金圆柱试样（直径50mm）自900℃缓冷至330℃，急冷至室温后的残余内应力（组织应力）

     图2为含Ni（ω=16%）的Fe-Ni合金圆柱试样（直径50mm）自900℃缓冷至330℃（Ms点附近），再急冷至室温后的残余内应力，这种应力主要是组织应力。由图可见，由于组织应力引起的残余应力：轴向、切向、表面为拉应力，且切向表面拉应力较轴向的大；径向为压应力，最大压应力在中心。

     从上面的分析，不难得知，组织应力的大小，除与钢在马氏体转变温度范围内的冷却速度、钢件尺寸、钢的导热性及奥氏体的屈服强度有关外，还与钢的含碳量、马氏体的比体积及钢的淬透性等有关。

结束语

     本期文章和大家分享了淬火时组织应力的分析过程，文章分析得很细，也很到位；具体如何熟能生巧的应用，还是需要大家多思考了