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热处理残余应力与开裂失效关系的探讨


金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨
陈再良,吕东显,曹明宇,付海峰 (北京机电研究所,北京100083) 摘要:分析金属热处理中的热应力和相变引起的组织应力产生原因,认为金属残余应力(内应力)存在是材料 不稳定状态,随着材料的加工和使用条件(特别是温度和环境)变化,这种应力状态会发生改变。论文结合钢 铁和铝合金热处理中的开裂问题,提出了金属残余应力与开裂失效的判据一一即当材料中的内应力(或应力强 度园子)大于该材料局部区域的失效抗力时就出现开裂失效;最后提出一些减少会属开裂和裂纹愈台的可能途 径。 关键词;金属热处理:热应力;残余应力;开裂失效;愈合 Study
011

ResiduaI Stress and Crack Failure in
CHEN

Metal Heat Treatment

Zai—liang,L0

Dong—xian,CAO Ming-yu,FU Hal—feng

(Beijing
Abstract:The
stress

Research Institute ofMechanical and

ElectricalTechnology,BeOing 100083,China) analyzed,the
released dudng the process and application condition
cases

reason

of thermal stress and phase transformation stress in metal heat treatment was

in heat treatment is instability state for the temperature

materials,and

(especially

and environmenO

changes.Some crack

of steels

and aluminum

alloys in heat

treatment

were given,then put forward the criterion ofmetals residual stress
stress

and

crack failure,when the residual Stress value(or

intensity

factoO

is large than that of the failure resistance in the metal,it will happen crack failure Finally some
ave

methods ofreducing crack and crack healing for metals Key words:heat treatment:thermal

suggested.

stress;structure Mress,crack and healing

在金属冶炼加工史中,金属退火、淬火、回火(时 效)、正火和表面改性技术出现在我国已有几千年“】, 至今这种技术仍然是现代制造业关键性技术之一。现 代制造业中机床零件中60%.70%,汽车零件中 70%、80%。以及模具产品中几乎100%零件……都需 要进行热处理;在冶金、交通、航空航天、建筑、石 化和电子等行业,它为产品更新换代,提高质量,为 节能节材和延长寿命做出重要贡献。

金属热处理中的应力主要包括因材料温差引起 的热应力和因金属相变引起的组织应力。 1.1热处理中热应力的产生 金属在加热和冷却中,表层与心部的加热及冷却 速度(或时间)不一致,由于温差导致膨胀和收缩不

均而产生的应力称为热应力。这种应力在冷却时更加
突出,由于冷却时金属表层温度低于心部,收缩时表 面大于心部而使心部受拉应力;当冷却结束时,由于 心部最后冷却体积收缩不能自由进行,而使表层受压 心部受拉,结果是在热应力作用下,最终使工件表层 受压应力I町心部受拉应力,图I是无组织转变时的热 应力示意图口J。通常热应力。与温差△L冷却速度 v,热传导性和材料屈服强度及成分等因素有关。 1.2热处理中相变应力产生 金属加热和冷却中组纵变化,对于钢铁材料,化 学成分相同时奥氏体(面心市方晶格)的比容小于珠 光体的比容,珠光体的比容小于马氏体(体心立方晶 格)的比容,因此淬火冷却时。奥氏体向马氏体转变 时会引起体积膨胀(2%一3%);有色金属中的台金时 效析出相(不同相的比容增大或减小)时等,都会伴 随因相变的体积或者界面的膨胀或收缩,这种相变体 积差而产生的应力称为相变应力(也称为组织应力)。 通常这种应力的大小与金属局部相变区的冷却速度,

大家知道,热处理技术是通过对材料加热—令

却过程控制,而获得预期的内在品质(组织、结构与

性能)的一种工艺技术。金属在加热(例如:奥氏体
化和固溶,回火和时效等处理)时,以及加热后冷却 (在不同介质中)处理时,改变了材料内部的组织和 性能,同时伴随产生了金属热应力和相变应力12J。这 种应力对材料的影响有利也有弊”J,下面主要对金属 热处理中的应力与形成裂纹间的关系中的一些问题 进行探讨。

I金属热处理中的应力问题
作者简介=陈再良(1951一),男,研究员,硕士,主要从事材 料失效分析、热处理、标准,耐磨材料等方面研究应用等,获 部级等科技进步奖6项,出版论著6部,发表论文70余篇。 联系电话:010.62914115
40

E—mail:z1.chen@163.com

《金属热处理》2007年第32卷(增刊)

万   方数据

形状和材料的化学成分等因素有关。如果不考虑热应 力时,相变应力一般是表层受拉应力,心部受压应力, 这种应力与热应力相反。


(不同成分合金有变化)大部分已经消除。目前工业 中回火处理是减少残余应力的主要手段。



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实际应力


\.

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图1冷却时无组织转变的热应力啪(K为心部,R为表面) 曲线a为弹性状态下表面应力.b为表面实际应力,c为心部


、---

\、


1.3热处理中的残余应力产生

2,~l


、、


金属熟处理的热应力和相变应力叠加的结果就 是材料中心残余应力(也称内应力)。通常宏观残余 应力可以引起材料宏观变形;微观残余应力作用尺度 在晶粒内部或晶粒之间,析出相与母体共格和非共格
界面等。金属热处理中,通常热应力占主导地位时工 件心部受拉,表面受压;当组织应力占主导地位时工

r~  ̄=杂
(b)

§

图2(a)几种典型裂纹类型
(b)3 0钢淬火后不同温度回火1.5 h后的最大应力分布

(1一轴向应力;2一切向应力;3一径向应力)
2.1.2

件心部受压,表面受拉,实际应力使两者叠加的结果。
残余应力是热处理后保留在金属内部的应力,随 着材料的加工和使用条件(特别是温度和环境)变化, 这种应力状态会发生改变;金属中残余应力存在是一 种不稳定状态,一定条件下这种应力要释放出来,例 如钢铁回火,有色金属时效变形及其他后处理等。通 常残余应力会影响材料的疲劳强度、抗应力腐蚀能力 和形状尺寸的稳定性等,直接影响材料的使用寿命和 安全性。这里重点对金属热处理中的应力与产生裂纹 间的关系举例。

热处理应力引起的开裂失效形态 图3为热处理中的应力引起的开裂失效件的典

型形态U-91。 图3(a)钢铁工件的尖角处开裂(钢中淬火时棱 角处的应力是平滑表面应力的10倍); 图3(b)铸造冶金缺陷在淬火中引起的开裂(由 心部拉应力引起抗力强度低的缺陷处首先开裂); 图3(c)碳钢中带状碳化物处淬火引起的开裂 (带状碳化物处抗力最小而引起的淬火开裂); 阁3(d)马氏体相变应力引起的微裂纹(CrWMn 高碳钢中片状马氏体体积膨胀引起开裂); 图3(e)T10钢900"C加热水淬中出现的沿晶开裂 (晶界抗力最小而引起的淬火开裂); 图3(f)Crl2MoV钢980℃油冷200℃回火后 线切割出现的裂纹(热处理内应力释放引起的开裂)。 2.2铝合金热处理中的应力引起的开裂案例 2.2.1铝合金热处理中的淬火应力分布 铝及其他有色金属热处理残余应力对开裂影响 探讨较少。下面以LC4(7075)铝合金为例说明。 LC4铝合金(尺寸为28mmx28mmxl20mm),经 过470℃固溶处理40rain后20℃水中淬火,然后在不
4t

2热处理应力引起的失效案例分析
2.1钢铁热处理中的应力引起的失效案例 2.1.1钢热处理的应力分布及裂纹类型


热处理的应力有加热和冷却时的应力,其中以冷 却应力最复杂。图2(a)为钢铁热处理的裂纹类型, 包括纵向裂纹、孤型裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和显 微裂纹等。图2(b)为30钢淬火后不同温度回火1.5

小时的最大应力分布…。图2(b)表明钢铁件回火时,
随着回火温度的提高,残余应力呈下降趋势,特别是 影响开裂的轴向应力,经过大约550℃回火1.5 h后

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同温度时效处理,测定的中心残余应力(轴向应力)

与时效温度的关系见图4110l。

图3钢铁工件热处理淬火中出现的典型裂纹形态 (a)铡工件尖角处形成开裂; (b)铸造缺陷引起的淬火开裂: (c)碳钢带状碳化物引起淬火裂纹;

(d)CrWMn钢马氏体相变的微裂纹;(e)钢淬火中出现的沿晶开裂;(f)Crl2MoV钢线切割后出现的裂纹

生很大影响。

—、~ k’-~


—’~ 一

、/‘

’、\




图4

LC4铝合金水淬后时效温度与轴向残余戍力关系

(a)470"C淬火后自然时效的应力分布;(b)不同时效温度的残 余应力和残余庳力强度因子

图4试验结果表明,该合会淬火后自然时效的轴 向残余应力町达约120MPa,120℃时效为86MPa, 经过160。C时效后只有约20MPa;由此换算的残余残 余应力强度因子丘。,在自然时效态为12 MPa.m…, 1.5MPa.m“2。这说明,时效温度对铝台金热处理残余 应力以及残余应力强度因子都有很大影响:值得注意 的是160"C时效对铝合金的组织析出及其他性能也产

图5

LC4锅合金残余应力引起的应力腐蚀断口形貌

(a)470*(2淬火后自然时教状态;(b)470"(2淬火后120"CX8h时 效状态:(c)断El特征区示意图

2.2.2铝台金残余应力与开裂原因的分析 28mmx28nunxl20mm)470"C固溶处理40rain后20℃ 水中淬火后和时效120"CX8h的样品,经试验测定,该 状态材料的残余应力引起应力强度因子已经大于该

120℃时效为9.0 MPa.m”2,到160℃时效时降到LCA(7075)铝合金(DCB试样,尺寸

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材料的应力腐蚀临界强度园子蜀。,因此就已经可以 使DCB试样产生应力腐蚀开裂(图5),断口观察主 要是沿晶开裂。 图5所示的断口特征为长舌形状,断口的中部裂 纹一直扩展到试样另一端部,而表面出现未扩展区。 由图4a可知,中部为拉应力,表面为压应力,在开 裂扩展条件下,应力松弛后造成目前的特殊形态。 2.1’3热处理残余应力与失效的判据

3减少热处理开裂和裂纹愈合的途径
金属在热处理过程中不可避免地会产生局部损 伤和微裂纹,并由此引发宏观裂缝而发生断裂,影响材 料正常使用和缩短使用寿命。 首先,要消除裂纹产生的可能根源,如结构设计 缺陷(过大的截面变化、过小的圆角半径等)、表面加 工质量缺陷(如表面粗糙度过大、表面刀痕、磨削裂 纹、划伤;热处理中缺陷如淬火裂纹、渗碳和氮化等 表面出现网状组织等)都加速开裂失效,因此改善零 件结构,减少应力集中(如采取圆角过渡;DH大圆角半 径均可有效的减少应力集中程度)。 充分利用表面压应力的积极作用,例如采取表面 强化的方法提高零件表面质量;对零件进行喷丸处 理、表面淬火等可提高零件的表面压应力。在使用过 程中,对零件、构件进行定期检测(用超声波和x光

由以上结果知道,金属热处理热应力和组织应力
会引起工件变形,甚至开裂。根据图3,图4和图5 这里就开裂失效与残余应力问的关系提出一些看法。 (1)材料残余应力o(残)(及由它引起的置,, G1)与材料局部区域屈服强度的关系,

o(残)小于材料的屈服强度——材料出现弹性
变形:

d(残)大于材料的屈服强度且小于断裂强度——
材料出现塑性变形;

检测能够发现细小裂纹),防范于未然。材料表层内部
组织缺陷、表层材料的内部缺陷,如夹杂、气孔、锻 造夹层以及各种微裂纹,常由此作为裂纹源而导致疲 劳失效,所以戍提高金属材料质量”】。在金属材料中 加入合金元素,提高材料的疲劳强度,可以大大延长材 料的使用寿命。 一旦金属制品产生裂纹,只要其修复成本小于制 造成本就值得修复。裂纹的常规修复方法主要有常规 焊接、施加脉冲电流和高温塑变(或保温)3大类,

o(残)大于材料的断裂强度——材料出现开裂。
同理,用应力强度因子蜀等也可以作为裂纹体 材料的判据。表1和图6表示了热处理内应力(o,K G)和树料开裂抗力(a,K.G等)的关系。




修复的裂纹主要有内裂纹和表面裂纹两大类“。所谓 材料裂纹的愈合自修复,就是将材料看作具有一定生 命力的系统,把产生了裂纹看作是材料受到了损伤后 的结果,当使用者发现它受到损伤后,人工注入能量 热处理蹑素<淬火盈窿) 及物质补给,材料能够接受并转化为这些能量或物质 而使自身损伤愈合。

图6热处理内应力(曲和材料开裂抗力(J)的关系 表1热处理应力和材料开裂抗力判据关系表 (一为内应力,S为材料开裂抗力:Kc为裂纹扩展抗力)

也就是说.对于出现裂纹损伤的材料米说,实现材

波加热和激光加热等)利施加电流脉冲则是其中的 两种主要方式。 目前,减少热处理中的应力是预防出现裂纹的最 主要途径。在金属材料存在残余应力的情况下,只有 工艺允许,建议钢铁材料采用500-600。C回火,铝台

料损伤愈合的前提条件是要有能量供给和物质补给,
从已进行的一些研究米看,外部能量补给的作用显得 尤其重要和突出。目前研究材料愈合过程所采用的外 部能量补给形式各有不同,而加热(包括常规加热、微

《金属热处理》2007年第32卷(增刊)43

万   方数据

金材料采用16m180℃时效处理,就可以大大降低热 处理应力,减少产生裂纹的可能性。 4

机械工业出版社,1983:126. [3】刘宗昌。钢铁的淬火开裂及防止方法[M】.北京:冶金工业 出版社,1991:73. [4】钢的热处理裂纹和变形编写组。钢的热处理裂纹和变形 【MI.北京:机械工业出版社,1978:43.59, 【51刘素明.李军.疲劳裂纹的产生及预防措施【J】.科技资讯,
2007(18):63.

结论
1)金属热处理中的热应力和相变应力是材料不

稳定状态,随着材料的加工和使用条件(特别是温度 和环境)变化,这种应力状态会发生改变。 2)结合钢铁和铝合金热处理中的开裂问题,提 出了金属内应力与开裂失效的判据即当材料中的内 应力(或应力强度因子)大于该材料局部的失效抗力 时就出现开裂失效: 开裂和裂纹愈合的可能途径。
参考文献: 【l】唐电,邱玉朗,陈再良.中国古代的钢铁渗碳和渗氯技术 【J】金属热处理,2002,27(8):50-53 [2】米谷茂。残余应力的产生和对策【M】.朱荆璞,等译.北京:


【6】黄开金,周金鑫,谢长生,等裂纹修复与激光技术[J】. 金属热处理,2002,27(3):l-4. 【7】孙搞玉,戴雅康.热处理裂纹分析图[M],大连:大连出版社,
2002。

3)最后结合金属产生开裂的原因提出一些减少

[8】刘宗昌。等金属固态相变教程蹦].北京:冶金工业出版社,
2003:100。

【9J蔡美良,等新编工模具钢金相热处理【M】.北京:机械工业 出版社,1998:151。 【10】钱友荣,陈再良.论铝合金廊力腐蚀DCB试样中的残余 麻力【J】北京航空学院学报,1981i(4):159.165.

《金属热处理》2007年第32卷(增刊)

万   方数据

金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 陈再良, 吕东显, 曹明宇, 付海峰, CHEN Zai-liang, L(U) Dong-xian, CAO Mingyu, FU Hai-feng 北京机电研究所,北京,100083 金属热处理 HEAT TREATMENT OF METALS 2007,32(z1) 2次

参考文献(10条) 1.唐电.邱玉朗.陈再良 中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术[期刊论文]-金属热处理 2002(08) 2.米谷茂.朱荆璞 残余应力的产生和对策 1983 3.刘宗昌 钢铁的淬火开裂及防止方法 1991 4.《钢的热处理裂纹和变形》编写组 钢的热处理裂纹和变形 1978 5.刘素明.李军 疲劳裂纹的产生及预防措施[期刊论文]-科技资讯 2007(18) 6.黄开金.周金鑫.谢长生 裂纹修复与激光技术[期刊论文]-金属热处理 2002(03) 7.孙盛玉.戴雅康 热处理裂纹分析图 2002 8.刘宗昌 金属固态相变教程 2003 9.蔡美良 新编工模具钢金相热处理 1998 10.钱友荣.陈再良 论铝合金应力腐蚀DCB试样中的残余应力[期刊论文]-北京航空学院学报 1981(04)

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