大規(guī)格調(diào)質(zhì)材殘余應力測試分析及穩(wěn)定調(diào)質(zhì)工藝

孫雪翠， 李 艾

(北滿特殊鋼有限責任公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

北滿基地針對42CrMo系列≥Φ500mm出口調(diào)質(zhì)材，委托中國一重質(zhì)量處攜帶進口紅外線應力儀進北滿基地現(xiàn)場進行殘余應力測試。在對實際數(shù)值分析之前，首先從理論上分析熱應力與組織應力分布特點以及影響熱處理內(nèi)應力的主要因素，然后根據(jù)實際應力測試數(shù)值并結(jié)合實際調(diào)質(zhì)工藝，分析實際軸向、切向應力數(shù)值偏差較大產(chǎn)生的原因，以及明確用戶鋸切時夾鋸及鋸切至心部產(chǎn)生炸裂的原因，進一步從應力分布角度出發(fā)找出調(diào)質(zhì)工藝存在的不足并完善調(diào)質(zhì)工藝，同時針對退貨消應力的出口才，合理制定出消應力回火挽救工藝，為今后穩(wěn)定大規(guī)格鍛件調(diào)質(zhì)工藝奠定扎實的科學理論基礎。

1 應力分布特點

1.1 熱應力分布特點：

表層的軸向、切向均為壓應力、心部為拉應力。

圖1是Φ44低碳鋼圓棒加熱到相變點以下冰水冷卻時內(nèi)應力的分布曲線，表示了三個應力，即軸向應力、切向應力、徑向應力在斷面的分布情況。從圖中可以看出：徑向應力為拉應力，心部最大，表面等于零，通常其數(shù)值很小，一般可不予考慮；而重要的是軸向應力和切向應力，這兩種應力的分布特點相同，都是表面為壓應力，心部為拉應力。但是心部的軸向拉應力比切向應力要大得多，這正是殘余熱應力的重要特征。這種很大的心部軸向拉應力，往往是大型軸類零件產(chǎn)生橫裂的主要原因。

圖1 0.3%C的碳鋼圓棒(Φ44)770℃冰水淬火時的殘余應力

1.2 組織應力分布特點：

表層的軸向和切向應力均為拉應力、心部呈現(xiàn)壓應力分布，如圖2。

圖2 圓柱試樣快冷時組織應力的變化

圖3是鎳的質(zhì)量分數(shù)為16%的Fe-Ni合金圓柱試樣淬火后截面的應力分布。該合金的Ms點為300℃。試樣經(jīng)900℃奧氏體化后緩慢冷卻至330℃之前不發(fā)生其它相變，緩冷的目的是避免熱應力的影響，而后再在冰水中快速使之完全淬透。因此測得的應力可以認為是單純的因組織應力產(chǎn)生的殘余應力。與圖1比較，組織應力的分布與熱應力剛好相反，即在表層的軸向和切向應力均為拉應力、心部呈現(xiàn)壓應力分布。徑向應力在表面為零、心部呈壓應力分布，與熱應力情況相反，表層的切向拉應力值大于軸向拉應力值,這正是組織應力的一個重要特征。這種靠近表層的較大的切向應力往往是零件縱裂的主要原因。

圖3 Ni的質(zhì)量分數(shù)16%的Fe-Ni合金鋼圓柱試樣(Φ50mm)自900℃緩冷至330℃，然后在冰水中急冷的殘余應力分布

1.3 截面組織差異引起的內(nèi)應力

淬火時由于鋼的淬透性和水油的冷卻能力的限制，往往不可能把鍛件全部淬透，淬火后獲得的是表層為馬氏體，心部為珠光體類型的組織。這是由于這兩種組織上的比容不同，在交界處的外面淬透層中產(chǎn)生壓應力，而在里面的心部產(chǎn)生拉應力。當冷卻速度加快，由于這種淬透層與心部的比容差較大而在交界處附近產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，即隨著冷卻速度加快在交界處附近的壓應力和拉應力都有顯著增大的傾向，同時交界處里面的心部拉應力值增大的趨勢明顯高于交界處外面的淬透層中的壓應力增大的趨勢。在實際生產(chǎn)中，鍛件內(nèi)總是同時產(chǎn)生兩種或三種基本內(nèi)應力，所以實際鍛件熱處理后的殘余應力是幾種基本內(nèi)應力疊加的結(jié)果。疊加后的殘余應力分部情況是很復雜的，與鍛件鋼種、尺寸、淬火溫度、冷速具體參數(shù)密切相關。

2 影響熱處理內(nèi)應力的主要因素

2.1 心部未淬透情況下的殘余應力。

圖4和圖5是直徑18mm高碳鋼圓柱試樣水淬和油淬獲得不同淬透層(即不同大小的的未淬透心部)時熱處理殘余內(nèi)應力的分布曲線。從軸向應力分布曲線上可以看出，當淬透層減小，即心部增大時，表面壓應力區(qū)的范圍減小，數(shù)值增大。與此相反，心部拉應力區(qū)的范圍增大，數(shù)值減小。但是，當淬透層很小，心部很大，以至于淬透層中混有珠光體組織的時候，由于淬透層和心部的比容差減小，由組織差異而引起的內(nèi)應力也就減小，因而這時應力并不明顯增加。另外，從軸向應力和切向應力曲線的比較來看，隨著淬透層減小，心部增大，軸向應力和切向應力數(shù)值之差縮小?？傊?，在未淬透的情況下，內(nèi)應力分布是熱應力類型的，表面淬透層中產(chǎn)生的是壓應力，因而表面淬裂的傾向性較小。但是，這時心部產(chǎn)生的是拉應力，而且當淬透層很深而心部很小時，心部拉應力區(qū)范圍很小，數(shù)值很大，同時軸向應力與切向應力數(shù)值之差增大，這時容易從心部產(chǎn)生破裂而引起橫斷。以上是從小直徑試樣得出的結(jié)論，當工件直徑增大時，內(nèi)應力的分布規(guī)律也是如此，只是應力的數(shù)值會進一步增大。

圖4 1.0%C，02.%V鋼圓柱(Φ18)800℃水淬后的熱應力與心部大小之間關系

圖5 0.7%碳鋼圓柱體(Φ18)900℃油淬后的熱處理應力與淬硬層厚度之間關系

2.2 心部淬透情況下的殘余應力

圖6是低碳合金鋼圓柱試樣(Φ10mm)，淬火時熱處理應力變化和殘余應力分布。由圖可見，表層和心部都進行馬氏體相變。冷卻初期，由于表層和心部存在溫差而產(chǎn)生熱應力。溫度降低到Ws后，表層立即發(fā)生馬氏體相變體積膨脹，表層的應力狀態(tài)發(fā)生急劇變化，由拉應力向壓應力迅速轉(zhuǎn)化，當馬氏體相變向心部進展時，由于心部的體積膨脹，使表層的壓應力顯著減小進而內(nèi)應力發(fā)生反向。冷卻最終的表層變?yōu)槔瓚?，心部為壓應力的殘余應力分布。當鍛件是完全淬透的情況下，殘余應力的分布主要是由熱應力和組織應力疊加的結(jié)果。其中，當鍛件直徑較小時，疊加后的殘余應力的分布是組織應力類型的(表層受拉，心部受壓)，說明這時組織應力是主要的； 當直徑增大時，殘余應力將逐漸變?yōu)闊釕︻愋?，這說明，隨著工件直徑的增加，熱應力的作用越來越大，這時鍛件中離表面一定距離的中間部分(淬透層與心部過渡區(qū))出現(xiàn)切向應力和軸向應力的峰值，而且往往是軸向應力大于切向應力，所以不太大的圓柱形鍛件淬透時，往往容易形成縱裂。同時，由于規(guī)格增大，由于冷卻速度急劇增加，在淬透層與心部過渡區(qū)也極易引起橫向炸裂。

圖6 低碳合金鋼(C0.22%，Cr1%，Mo0.45%)圓柱試樣(Φ10mm)淬火時心部淬透情況的熱處理應力變化

2.3 鋼種的影響

隨著鋼中碳質(zhì)量分數(shù)的增加，組織應力的作用增強，而熱應力的作用減弱。鋼中加入合金元素不僅可提高鋼的高溫強度而且可以提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低鋼的臨界冷速，使工件可以采用油淬。同時，提高鋼的高溫強度，使鋼在高溫狀態(tài)下的塑形變形量減小，使熱應力的數(shù)值降低，而組織應力的影響相對增強。但合金元素使鋼的導熱性下降，在加熱或冷卻速度相同時，促使鋼的熱應力增大，所以合金鋼的加熱速度不能太大。

2.4 淬火溫度與冷速的影響

冷速愈大，鍛件中的內(nèi)外溫差愈大，熱應力增加。對大件因其殘余應力本來就是熱應力型分布，增加冷速，將使其表面的壓應力值和心部的拉應力值增加。因此，在滿足力學性能要求的情況下應盡量減小冷速。淬火溫度愈高，鍛件與介質(zhì)之間的溫差愈大，熱應力隨之增加。因此淬火溫度的提高從應力的角度來看是不利的。實際熱處理時，由于淬火溫度的變動范圍較窄，應力值的增加有限，更重要的是由于淬火溫度的提高引起過熱，使材料的強度下降，因此過熱時容易引起斷裂。此外，提高淬火溫度將使奧氏體的合金程度增加，并使其晶粒長大，因而奧氏體的穩(wěn)定性增加，最后導致在淬火冷卻時殘余奧氏體數(shù)量的增加，而殘余奧氏體常溫分解又是置裂的主要原因之一，所以對淬火溫度嚴格加以控制是非常必要的。熱處理過程中產(chǎn)生的應力是不可避免的，而且往往是有害的。但我們可以控制熱處理工藝盡量使應力分布合理，就可將其有害程度降低到最低限度。

3 實測應力數(shù)值分析：

3.1 13303080192 1-1 Φ575

3.1.1 應力數(shù)值

3.1.2 分析

3.1.2.1 該支鍛材在次表面(淬透層與心部的交界處)應力狀態(tài)最佳，即軸向應力與切向應力差別較小，說明淬火冷卻速度較合適，回火較充分(理想的應力范圍為+20～200Pa)，實際應為 (+不超過屈服強度的10%)～(-200)Pa之間。

3.1.2.2 該支料兩端軸向為拉應力，原因是由于規(guī)格偏小，兩端在入水前料溫降得偏快，實際料溫與水溫溫差小，兩端冷卻速度偏慢，在次表面還存在一部分熱應力型應力，即軸向表現(xiàn)為較低的拉應力值。

3.2 13303160532 1-1 Φ600

3.2.1 應力數(shù)值

3.2.2 分析

3.2.2.1 非K端軸向拉應力較大，是由于調(diào)質(zhì)時采用井式爐裝爐， 非K端為淬火夾臺端，加熱時由于考慮1區(qū)附近有煙道，此處影響溫度，因此制定工藝時將此處溫度提高10℃(實際執(zhí)行時上端燒至880℃、下端燒至855-860℃,實際上端比下端高20-25℃)，由于此處淬火溫度提高，與水之間的溫差增大、規(guī)格大淬不透，仍屬于熱應力型的，熱應力隨之增加。即次表層內(nèi)軸向拉應力數(shù)值高于切向壓應力數(shù)值，由于水溫為42℃冷卻速度較慢，次表層內(nèi)的壓應力數(shù)值較小，可推斷出心部的拉應力峰值不會很高，因此不會產(chǎn)生橫裂。

3.2.2.2 K端軸向應力為拉應力，是由于此端為先入水端，在入水前端頭料溫稍有降低(由于井式爐出爐至入水總時間比臥式爐出爐至入水時間短，端頭溫降幅度相對偏小)，實際料溫與水溫溫差小，此端冷卻速度偏慢，在次表面也存在著一部分熱應力型應力，即軸向表現(xiàn)為一定的拉應力值。

3.2.2.3 與1#材相比，淬火工藝與回火工藝均相近，只是該支料比1#材規(guī)格大，因此，體現(xiàn)出軸向應力與切向應力最大值均比1#材高，符合理論分析(當工件直徑增大時，內(nèi)應力的分布規(guī)律與小直徑相同，只是應力的數(shù)值會進一步增大)。改進措施：針對井式裝爐，在工藝制定方面，在淬火冷卻前增加一段預冷工藝，進一步減小次表層的軸向拉應力，促使應力分布進一步合理。

3.3 12303081716 1-1 Φ700

3.3.1 應力數(shù)值

3.3.2 分析

3.3.2.1 由于該支料水溫降低(降低水溫是提高冷卻速度的方法之一)，淬火冷卻速度加快，以及回火后水冷可以看出：a由于規(guī)格為Φ700mm，規(guī)格較大，入水前兩端降溫較慢，再加之水溫降低，從而進一步提高淬透層，使其兩端次表面的壓應力值增加幅度較大(符合理論分析)，同時也意味著心部拉應力值也在大幅度增加。b中間鍛相對來說，由于規(guī)格比1#材Φ575mm大，中間段冷卻速度偏慢，只有切向為壓應力，軸向還表現(xiàn)為拉應力。

3.3.2.2 從回火后水冷角度看，在很大程度上增加了次表面壓應力值，從而使次表層以里的心部拉應力值增加幅度更大，從理論上分析，應為部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起。

3.3.2.3 綜合上述兩條原因，次表層內(nèi)壓應力增加，同時軸向與切向應力差值明顯增加，是由淬火冷卻及回火冷卻不當共同作用的結(jié)果。

3.3.3 改進措施

3.3.3.1 提高水溫，針對大規(guī)格鍛材從應力分配合理角度及防止出現(xiàn)淬火裂紋看，合適的水溫應控制在40-50℃。

3.3.3.2 降低回火冷卻速度，采用爐冷或空冷方式(從理論上分析不會引起次表層內(nèi)壓應力增加)，具體冷卻方式根據(jù)規(guī)格而定；若考慮回火脆性，從應力分布角度看，水冷時間不易過長，從該支料應力情況看回火后水冷時間偏長，從理論看，水冷至400-450℃后空冷可有效較小應力并改善應力分布，同時增加補充回火。

3.4 12303161284 1-1 Φ730

(與5為同一支材)

3.4.1應力數(shù)值

3.5 12303161284 1-1 Φ730

(與4為同一支材)

3.5.1 應力數(shù)值

3.5.2 分析

3.5.2.1 鍛材4與5為同一支材，與3規(guī)格相近，不同的是增加了兩次水冷，即延長水冷時間?？梢钥闯觯?/p>

(1)次表面壓應力值明顯增加，同時軸向應力與切向應力差值與5#材相比進一步增加(符合理論分析)。

(2)A端切向為拉應力，初步認定為是由于鋸切后應力釋放引起。

(3)C端由于壓應力偏大，若鋸切也極易產(chǎn)生夾鋸現(xiàn)象。

(4)隨著次表層壓應力數(shù)值增加，可推出次表層向里的心部拉應力數(shù)值也隨之明顯增加，且增加的幅度很大。

3.5.2.2 從回火后水冷角度看，在很大程度上增加了次表面壓應力值，從而使次表層以里的心部拉應力值增加幅度更大，從理論上分析，應為部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起。

3.5.2.3 綜合上述兩條原因，次表層內(nèi)壓應力增加，是由淬火冷卻及回火冷卻不當共同作用的結(jié)果。

3.5.3 改進措施

3.5.3.1 縮短水冷時間，從目前穩(wěn)定的工藝看，尤其是≥Φ600mm鍛材，根據(jù)經(jīng)驗水冷結(jié)束后表面瞬時溫度不能低于170℃，入油返熱溫度不得低于250℃。

3.5.3.2 提高水溫，針對大規(guī)格鍛材從應力分配合理角度及防止出現(xiàn)淬火裂紋看，合適的水溫應控制在40-50℃。

3.5.3.3 降低回火冷卻速度，采用爐冷或空冷方式(從理論上分析不會引起次表層內(nèi)壓應力增加)，具體冷卻方式根據(jù)規(guī)格而定；若考慮回火脆性，從應力分布角度看，水冷時間選擇要合適不易過長，從該支料應力情況看回火后水冷時間偏長，從理論看，水冷至400-450℃后空冷可有效小應力并改善應力分布，同時增加補充回火。

3.6 12303160479 1-1-2 Φ853

3.6.1 應力數(shù)值

3.6.2 分析

3.6.2.1 進一步延長水冷時間并進一步降低水溫?？梢钥闯觯?/p>

(1)由于冷卻速度加快，次表層內(nèi)壓應力值明顯增加，由于規(guī)格大，沒有Φ700mm增加明顯，同時也意味著心部拉應力也在明顯增加，且增加幅度很大。

(2)D端夾鋸是由于此處壓應力過大引起(原則是壓應力不允許超過200MPa),同時心部拉應力數(shù)值也明顯大幅度增加，當表面壓應力及心部拉應力增加到一定程度時，在淬透層內(nèi)鋸切易夾鋸，當切到心部時，由于心部強大的軸向拉應力釋放極易產(chǎn)生從心部往外炸裂(這與國外用戶反饋的現(xiàn)象相符)。

(3)B端切向為拉應力，初步認定為是由于鋸切后應力釋放引起(測試點離鋸口較近)。

3.6.2.2 從回火后水冷角度看，在很大程度上增加了次表面壓應力值，從而使次表層以里的心部拉應力值增加幅度更大，從理論上分析，應為部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起。

3.6.2.3 綜合上述兩條原因，次表層內(nèi)壓應力增加，是由淬火冷卻及回火冷卻不當共同作用的結(jié)果。

3.6.3 改進措施

3.6.3.1 提高水溫，針對大規(guī)格鍛材從應力分配合理角度及防止出現(xiàn)淬火裂紋看，合適的水溫應控制在40-50℃。

3.6.3.2 降低回火冷卻速度，采用爐冷或空冷方式(從理論上分析不會引起次表層內(nèi)壓應力增加)，具體冷卻方式根據(jù)規(guī)格而定；若考慮回火脆性，從應力分布角度看，水冷時間選擇要合適不易過長，從該支料應力情況看回火后水冷時間偏長，從理論看，水冷至400-450℃后空冷可有效較小應力并改善應力分布，同時增加補充回火。

3.7 12303160479 1-2 Φ853

(臥式爐裝爐)

3.7.1 應力數(shù)值

3.7.2 分析

3.7.2.1 從進一步延長水冷時間并進一步降低水溫。

(1)由于冷卻速度加快，次表層內(nèi)壓應力值明顯增加，由于規(guī)格大，沒有Φ700mm增加明顯，同時也意味著心部拉應力也在明顯增加，且增加幅度很大。

(2)C點330mm處夾鋸是由于此處壓應力過大引起。

(3)AB兩點若由于次表層壓應力較大，鋸切時也會產(chǎn)生開始夾鋸，切到中心產(chǎn)生炸裂現(xiàn)象。

3.7.2.2 從回火后水冷角度看，在很大程度上增加了次表面壓應力值，從而使次表層以里的心部拉應力值增加幅度更大，從理論上分析，應為部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起。

3.7.2.3 綜合上述兩條原因，次表層內(nèi)壓應力增加，是由淬火冷卻及回火冷卻不當共同作用的結(jié)果。

3.7.3 改進措施

3.7.3.1 縮短水冷時間，從目前穩(wěn)定的工藝看，尤其是≥Φ600mm鍛材，水冷結(jié)束后表面瞬時溫度不能低于170℃，入油返熱溫度不得低于250℃。

3.7.3.2 提高水溫，針對大規(guī)格鍛材從應力分配合理角度及防止出現(xiàn)淬火裂紋看，合適的水溫應控制在40-50℃。

3.7.3.3 降低回火冷卻速度，采用爐冷或空冷方式(從理論上分析不會引起次表層內(nèi)壓應力增加)，具體冷卻方式根據(jù)規(guī)格而定；若考慮回火脆性，從應力分布角度看，水冷時間選擇要合適不易過長，從該支料應力情況看回火后水冷時間偏長，從理論看，水冷至400-450℃后空冷可有效較小應力并改善應力分布，同時增加補充回火。

4 通過應力測試挽救措施

針對因夾鋸等退庫的42CrMo系列大規(guī)格調(diào)質(zhì)材，通過應力測試挽救措施為：由于次表層內(nèi)的壓應力值過大，必須進行重新回火。

4.1 確定重新回火溫度

由于42CrMo系列調(diào)質(zhì)材回火溫度均在660～680℃，因此，選擇630～640℃，在保證力學性能及應力消除上該溫度較合適；

4.2 確定重新回火保溫時間

表面應力值較大，保溫時間要充足，仍采用性能回火4h/100mm或適當增加。

4.3 回火后降溫速度

采用≤25℃/降至300℃以下，Φ700mm以下降至200-250℃。

5 結(jié)論

5.1 影響應力分布不合理

即次表層內(nèi)壓應力過大(隱藏著心部向拉應力也隨之過大，且規(guī)格越大表現(xiàn)得越明顯)及次表層中軸向與切向應力數(shù)值偏差大的主要原因是：一方面，淬火冷卻工藝不當引起，即冷卻水溫偏低、時間偏長；另一方面，回火后快冷(水冷)及水冷時間偏長(其中回火后水冷應為主要原因)，最終體現(xiàn)在淬透層與心部的交界處以外的壓應力數(shù)值增加較多，交界處以里的拉應力尤其是軸向拉應力也隱藏著會大幅度增加(應力儀無法測量心部拉應力，只是用表層的壓應力數(shù)值來衡量)，鋸切時，淬透層以內(nèi)由于較大的壓應力極易引起夾鋸現(xiàn)象，當切到心部時由于心部較強的拉應力釋放從而導致開裂。因此，今后在制定調(diào)質(zhì)工藝時，因此，今后在制定調(diào)質(zhì)工藝時(包括正回火)，不僅要達到較好的綜合機械性能，同時，還要達到良好的應力分布狀態(tài)(包括加熱、淬火冷卻速度、回火時間、回火后冷卻速度、出爐溫度等以及回火后快冷的終冷溫度及補充消應力回火等)。

5.2 另外，淬火溫度實際溫度波動范圍較窄，不是影響應力分布的主要因素，但對井式爐裝爐根據(jù)爐體特性及從下至上的冷卻特性，今后在加熱保溫結(jié)束后需增加一段預冷工藝，進一步減小熱應力值。

5.3 通過與測試人員交流并結(jié)合實際測量的數(shù)據(jù)分析，次表層最合適的應力范圍為+20～200Pa,實際應為 (+不超過屈服強度的10%)～( -200)Pa之間，當次表層壓應力數(shù)值接近甚至超過200Pa，則次表層里面的心部拉應力尤其是軸向拉應力值會更高，當外界施加載荷如鋸切，就會出現(xiàn)淬透層內(nèi)夾鋸切至心部會引起開裂現(xiàn)象，因此，針對未淬透的大鍛件用測量次表層的應力數(shù)值尤其是壓應力數(shù)值作為參考數(shù)值來衡量心部拉應力增大的趨勢，是非常科學和符合實際的。

[1]趙連城，金屬熱處理原理[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1987.

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