淬火应力的研究进展

郑汉清

（上海工程技术大学 材料工程学院，上海 201620）

在我们进行快速淬火处理过程中，金属材料在不同的淬火温度下，其心部也会在不同的淬火速度下进行快速冷却，在这个淬火热处理过程中，金属材料的整体内部结构和受热状态都可能会同时发生某些变化，因此，在我们进行快速淬火处理过程中，必将会在金属材料内部产生热应力和相变应力，,并且会改变这些金属材料的内部体积和从而使其产生一定的热应力变形。一般来说，钢铁在热处理过程中产生的淬火应力主要认为是由两种客观条件因素造成的，分别是由于工件温度的剧烈变化引起的热应力和由于组织结构变化不均匀所致而引起的组织应力。热应力通常是指一种工件在进行连续加热或者冷却的工作过程中，由于接触工件本体表面层和工件中心层内部而可能存在的温度差，钢件内外的膨胀和收缩不同而形成的应力。淬火热应力一般导致工件的中心部形成拉应力，表面形成压应力。相变应力主要是指金属材料在进行热处理工艺过程中发生了一系列的微观组织转变,即相变过程中所发生的应力，包括非均匀相变所引起的组织应力以及不等时相变所引起的其他附加应力。这两种相变应力均是来自于不同组织之间比容的差异。

零件在进行相应热处理后对其测量的残余应力主要指的是热应力和相变应力的总和，其大小一般随着零部件尺寸的增加而增大。在对大型的零件热处理过程中，为了能够获得需要的组织性能，并且不会产生比较大的残余应力，增加产品成功的概率，只有依赖传统的加工经验来设计产品的淬火工艺。这样做的优点是可靠性比较高，但是存在许多问题：①投资成本过高，需要花费大量的时间，为了找出残余应力分布的规律，需要对大量试样进行测量。②对于简单形状的样品，截面残余应力比较好测量，但是对形状复杂的的试样来说，测量比较困难。③简单形状的样品测量的结果不能直接用到大型形状复杂的零件上。由于这些问题，传统的热处理技术已经无法满足我国机械工业和现代化生产的需要，随着热处理数学模型和计算机模拟技术的发展，计算机模拟技术被广泛的应用在淬火热应力的研究，并受到人们的重视，已成为当今世界各国研究的热点。

1 淬火应力模拟国外研究现状

国外关于淬火应力的科学仿真与模拟的实验研究早在在上个世纪70年代就已经初步开始了。1977年，瑞典著名物理学者Hidenwall[1]首次利用了一种被广泛应用于数学基础上的叠加法则，即一种根据等温加热转变的连续孕育期来预测连续冷却的时候，钢铁材料的转变温度的叠加方法，将连续冷却的的整个过程，依次离散转化为各个小时段的阶梯式连续冷却的过程。并且他们借助虚拟时间这个基本概念，解决了如何通过TTT曲线来精确预测连续冷却过程中，材料在组织结构是发生的变化问题。日本材料研究学者Umemoto[2]对Fe-0.2C，Fe-0.43C两个合金的铁素体和一位法国的学者Fernandes[3]对XC80合金的珠光体都进行了类似的珠光体实验，验证了这个离散原则的各种实际应用的可行性。奥地利学者Rammerstorfer[4]对模拟淬火材料工艺制造的过程进行了热弹塑性的定量分析，并对比了等向运动强化和材料随动强化、蠕变、相变塑性等对材料模拟淬火结果的应力影响，结果发现相变塑性对材料热处理后的应力影响较大，而蠕变对应力的影响较小可以忽略不计。日本学者T.Inoue[5]对淬火和回火的过程进行了连续、系统的物理模拟和数值模拟，其软件“ HEARTS”可以广泛的用于模拟中小型零件的水淬、渗碳淬火和感应淬火，并且已经得到了实际的试验成果和结论的支持。法国学者Deni[16]在对马氏体淬火过程中进行热力学分析和内应力计算时，考虑了相变塑性和内应力对马氏体相变动力学的作用和影响，描述了相变塑性和内应力对材料热处理过程中马氏体的残余应力的作用和影响，并与实测应力的状态进行了比较，得到良好的结果。此外，匈牙利的 Gergely[6]，瑞典的 Sjostrom[7]和德国的 Schroder[8]也都对淬火过程中的硬化规律、产品大小和工艺条件环境的影响做了数值分析的深入研究。1984年5月23日至25日在瑞典 Lingkoping 大学举办的首届金属材料热处理残余应力模拟计算论坛会议，来自17个地区和国家的近100名专业学者出席了会议，并且发表了大量有价值的学术文献。

2 淬火应力国内研究现状

我国在淬火热处理中进行仿真和模拟技术的研究工作开始比较晚，但到现在也已经得到了显著地发展。从上世纪八十年代早期开始，国内专家学者们开始对淬火热处理的数值模拟进行了深入的研究。最初的开展研究工作的是原化工部机械研究院的姚善长学者[9]和陕西机械学院的袁发荣[10]等学者通过测量对轴对称零件所需淬火热处理过程进行了计算机仿真模拟。上海重型机器厂的吴景之学者[11，12]通过对大锻件加热和淬火冷却时的温度场的变化现象分析进行了深入的模拟研究，中国航空信息中心的石林学者[13]通过采用用计算机编程方法进行对在汽车中的涡轮盘淬火模拟研究，深入研究了涡轮盘淬火时的冷却速率、淬火介质流动以及残余应力的变化过程。八五期间，清华大学与著名的上海重型机械厂共同合作对大型钢锻件的各种淬火处理技术参数进行了系统的试验研究[14，15]，实测了若干钢种的热物性、力学物理性能、相变动力学和相变塑性等参数，还对常见的各种淬火处理技术，例如水淬、喷水、以及淬火喷雾等过程的表面热转换系数进行了实验分析研究，并且获得了大量的淬火实测试验数据与经验计算公式。在这些大量的实测数据和大量的经验计算公式的基础上，清华大学刘庄教授研究团队通过利用有限元法独立研制出了热处理数值模拟软件包，即 NSHT (Numerical Simulation of Heat Treatment)，并通过利用该软件分析了大型锻件在淬火热处理工艺过程中的温度场进行了数值模拟，并且获得了较为令人满意的结果。上海交通大学从上世纪90年代初期就开始专注于于渗碳、渗氮及淬火过程，进行了计算机控制与数值模拟研究。该研究项目的课题组研究开发的渗碳控制管理软件 SITU-CARBCAD 已经被成功地广泛应用到了渗碳热处理炉的在线自动控制与在线自动决策。另外，在国际上最常见的通用有限元平台MSC.MARC 软件的技术基础上，通过用户进行自定义的子程序，分别实现了对冷轧辊、支承辊[16，17]、锚环[18]、曲轴[19]在持续加热后的淬火过程中的温度场、组织场和残余应力进行计算[20]，得到的结果与实验数据一致性很高，己被广泛应用于指导实际的生产过程中。在对有限元计算方法、表面换热系数、相变塑性、相变动力学等这些基本理论的研究方面也已经进行了很多的研究。近年来，国内的一些研究和学者同样也对淬火加工过程的模拟技术表现出浓厚的兴趣，发表了许多关于该技术的研究文献，并且举办了多次具有特色和专业性的国际会议。从第一届热处理残余应力大会开始就已经陆续出现了与当代我国处理专家学者密切相关的大量有关热处理模拟模型应力研究学术论文。在以后的第二届、第三届淬火及淬火变形控制会议中也相继发表了许多我国相关研究成果报告[21]。在上海交通大学举行的首届热处理工艺数学模型与计算机仿真模拟国际会议，是一次专门针对热处理工艺计算机模拟界的国际会议，会议共搜集并汇编了国内外学术论文53篇，基本介绍了当前热处理模拟计算技术在国际上应用的主要方法以及计算机仿真领域的科学研究和应用水平。

在淬火过程热应力的实测方法上，东北重机学院的康大韬学者[22]最先提出通过X-射线应力分析法和大截面试样的逐次剥离分层的方法，深入研究了各种调质大轴中内部残余热应力的分布规律，找到了可以准确描述调质工件内部残余热应力沿工件横截面分布规律的函数式和计算公式。张海[23]应用X射线应力分析法和大截面试样的逐次剥层法来综合检验了18Cr2Ni4W钢试样中淬火残余应力沿截面的分布。研究了大型锻件淬火残余应力的产生、分布的基本规律和其他的测量手段。刘峻[24]提出了利用化学腐蚀剥层法和 X 射线法两种相结合的方法来测量表层残余应力，解决了由于激光相变硬化区尺寸小和不宜制备传统剥层法试件所带来的问题。并且深入地分析研究了表层残余应力梯度的影响。上海交通大学材料科学与工程学院任泉庄[25]等研究人员分别利用盲孔法对分别经淬火-回火和淬火-配分后Fe-0.38C-1.44Mn-1.52Si-0.61Cr钢试样的残余应力进行了测量,结合该类型钢材质试样的显微组织结构物理变化特征,研究了残余应力的分布规律。分析了淬火-配分试样的残余应力低于淬火-回火试样的原因是显微组织内存在高的残留奥氏体量和因配分被显著软化的马氏体基体。上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院的向宏霄等[26]利用仪器化压痕方法对S450钢平板的焊接残余应力进行了测量，并提出四点弯曲单向应力标准装置进行验证，并将测量结果与盲孔法和切割法进行对比。结果表明仪器化压痕法测量准确可靠，能够有效用于焊接残余应力的快速无损检测。

3 结论

数值模拟技术在钢铁生产过程中起着越来约重要的作用，特别是将数值模拟测量残余热应力技术用在钢铁开裂的问题上，能够在节约生产成本的同时，快速高效的帮助人们找出开裂的原因，优化和改进热处理加工工艺。