大鍛件在熱處理過程中的內(nèi)應力與斷裂
2021-10-26 12:09:46
大型鍛件（如扎輥、電站轉(zhuǎn)子等）在生產(chǎn)和使用過程中往往發(fā)生斷裂。斷裂的形式有橫斷、縱裂、置裂、脫肩和龜裂等。那么，鍛件究竟為什么產(chǎn)生斷裂呢？眾所周知，材料的斷裂只有在垂直于破斷面上的應力超過材料的破斷強度時才能發(fā)生。 這種情況可能是由于鍛件的負荷過髙，超過了材料的實際破斷強度所引起的也可能是材料強度在加工或工作過程中降低所引起的。例如，鍛件產(chǎn)生過熱或出現(xiàn)白點時所引起的斷裂就 是厲于后一種情況，而厲于前一種情況的例子是熱處理工藝不當（如加熱或冷卻不當）或使用不當，而使應力增加所引起的斷裂。
總之，無論什么樣的斷裂都離不開應力。本節(jié)主要討論鍛件在熱處理過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力的基本規(guī)律及其與大型零件的熱處理斷袈的關(guān)系。熱處理時的基本內(nèi)應力，眾所周知，鋼加熱或冷卻時要發(fā)生膨脹或收縮,此外，相變對也有膨脹和收縮。鍛件在加熱或冷卻時，其內(nèi)外不可能同時均勻地被加熱或冷卻，工件內(nèi)外存在著溫差，從而引起比容差。同樣，工件在加熱或冷卻時，其心部和表面也不可能同時發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，因而也引起比容差。這些比容差就是熱處理時產(chǎn)生內(nèi)應力的主要原因。其中由工件內(nèi)外溫差所引起的內(nèi)應力稱為“熱應力' 而由工件內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變的時刻不同所引起的應力稱為組織應力，此外還有沿鍛件截面上的組織差異所引起的應力。
鍛件熱處理后的殘余內(nèi)應力是上述幾種內(nèi)應力的綜合作用結(jié)果。鍛件加熱時，加熱時間較長，有較充分的保溫時間，而且鍛件在髙溫下具有良好的塑性，所以可以認為加熱時的熱應力和組織應力能夠通過鍛件中的塑性變形、回復與再結(jié)晶等過程松弛掉，因而可以認為熱處理后鍛件中剰下的僅僅是冷卻過程中的熱應力和組織應力的疊加結(jié)果。急冷時的熱皮力，通常淬火時，不僅有熱應力發(fā)生而且同時還有組織應力發(fā)生，為了研究只有熱應力的情況，可把鋼加熱到4點以下（不發(fā)生任何組織轉(zhuǎn)變)，隨后急冷，則所得到的殘余應力全部都是熱應力。
既然脆性斷裂是由宏觀尺寸裂紋擴張引起的，而裂紋在制件生產(chǎn)和服役過程中發(fā)生又是 難以避免的，那么防止裂紋擴張就成為安全性的必要保證。早在本事紀20年代初，GHffih玻璃釋解為、陶瓷等脆性材料的實際強度遠低于其理論 強度的現(xiàn)象，增設(shè)材料中有微裂紋存在，并根據(jù)微裂紋擴張時分離出新表面所需之表面能 由累積彈性能的減少來提供這一能量平衡條件，成功地得到了這類材料的實際強度和裂紋尺寸間的關(guān)系。對于金屬材料，即使是脆性較大的高強度材料，裂紋擴張前緊靠裂紋前繰一觳都要發(fā)生 一定的塑性變形，也就是說金屬材料裂紋擴張不僅分離出新表面要消耗能量，而且裂紋前緣 局部地區(qū)的塑性變形也要消耗能量。用能量平衡方法研究裂紋的擴張過程，很少考慮裂紋前緣局部地區(qū)的應力和應變狀態(tài)?而斷裂韌性準確的物理意義及測定方法都與此關(guān)鍵地區(qū)的力學狀態(tài)有密切關(guān)系。在裂紋幾何參數(shù)一定的情況下，隨著外加應力增加:數(shù)值增加，從而裂紋前緣局部地區(qū)的各應力與位移分量的數(shù)值也增加。由于金屬材料多少總具有一定的塑性變形能力這樣在緊靠裂紋尖堆地區(qū)的應力集中數(shù)值超過材料的屈服極限處將產(chǎn)生塑性變形。
斷裂韌性原理建立了裂紋前緣局部地區(qū)應力場與零件中作用的名義應力、材料的性能和引起脆性斷裂的必須的裂紋尺寸之間的聯(lián)系，這就有可能根據(jù)材料的斷 裂韌性確定零件的最大實標工作條件。