“热应力、组织应力、附加应力” 齐登场！热处理应力究竟藏着多少秘密？
“热应力、组织应力、附加应力” 齐登场！热处理应力究竟藏着多少秘密？
在工业制造领域，热处理是一项关键工艺，而热处理应力如同隐藏在工件内部的"隐形之手"，时刻影响着工件的最终品质与性能。它涉及多种类型，其产生机制复杂多样，并且在工件变形、开裂以及疲劳强度等诸多方面都有着不可忽视的影响，深入了解热处理应力相关知识，掌握应对之策，对于优化生产、提升产品质量有着至关重要的意义，值得我们展开全面且细致的探讨。
热处理应力的分类及产生机制
在热处理过程中，应力的产生及变化对工件的最终状态有着至关重要的影响，而热处理应力主要可分为热应力、组织应力以及附加应力三种类型，它们各自有着独特的产生原因和表现形式。
热应力
热应力是在热处理期间，因工件的表面与中心、薄的部位和厚的部位之间加热或冷却速度存在差异，进而导致体积胀缩不均而产生的内应力。例如，在加热或冷却时，若速度越快，这种体积变化的不均衡就越明显，产生的热应力也就越大。
通常情况下，在热应力的作用下，最终会使工件表层受压而心部受拉，不过这一现象还会受到冷却速度、材料成分以及热处理工艺等诸多因素的影响。当冷却速度加快、含碳量和合金成分变高时，在热应力作用下产生的不均匀塑性变形就会增大，最终形成的残余应力也会随之增大。
组织应力
组织应力是由相变引起的比体积变化的不等时性所产生的内应力，也被称作相变应力。组织结构在转变前后，其比体积越大，并且各部位转变的时间差越大，那么产生的组织应力也就越大。在组织应力的作用下，最终结果往往是表层受拉应力，心部受压应力，这与热应力的作用效果恰好相反。组织应力的大小和工件在马氏体相变区的冷却速度、形状以及材料的化学成分等因素密切相关。
附加应力
工件在热处理过程中，除了会形成热应力与组织应力外，由于工件表面与中心处组织的不均匀性以及工件内部的弹性畸变不一致，同样也能形成附加应力。比如，工件表层出现增碳或者脱碳现象，进行表面淬火或局部淬火以及其他能致使工件表面和中心处组织不均的因素，都能够产生附加应力。
表面淬火或者局部淬火时形成的附加应力：在进行局部淬火或者表面淬火（像感应淬火、火焰淬火和激光淬火等）时，仅仅在被淬火的部分会形成马氏体组织，未淬火的部分依旧保持原始组织，这样就导致整个工件上比体积出现差别。此时，因工件表层马氏体使比体积增大而引起的膨胀受到中心部分的限制，于是表面会受到压应力，中心则受到拉应力的作用。
渗碳淬火时形成的附加应力：渗碳工件淬火时，由于其表层含碳量较高，内部含碳量低（即钢材的原始含碳量），使得表层与心部的相变温度（也就是Ms点）有所不同，表层的相变温度较心部更低。所以，内部会首先发生组织转变并膨胀，这时表层组织仍为奥氏体，处于塑性状态，初期表面受到拉应力的作用，心部受到压应力作用。又因为表层塑性极好，在拉应力作用下易发生塑性畸变，导致应力松弛，应力值有所减小。随后，待高碳的表层也发生马氏体转变而膨胀时，表层与中心的应力情况正好相反，变为表面是压应力，心部是拉应力。
热处理后工件的最终应力状态及应力大小取决于热应力、组织应力及附加应力三者之和，而热处理后最终保留下来的内应力，叫做残留应力，可分为残留拉应力（以“+”表示）与残留压应力（以“——”表示）。
热处理应力对工件的影响
热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力，它对工件的形状、尺寸和性能有着极为重要的影响。当这种残余应力超过材料的屈服强度时，便会引起工件的变形；一旦超过材料的强度极限，就会致使工件开裂，这无疑是其有害的一面，所以在实际操作中应当尽量减少和消除这种有害影响。
存在于淬火件不同部位上能引起应力集中的因素（包括冶金缺陷在内），对淬火裂纹的产生都有促进作用，不过只有在拉应力场内（尤其是在最大拉应力下）才会表现出来，若处于压应力场内则并无促裂作用。
淬火冷却速度是影响淬火质量并决定残余应力的关键因素，也是对淬火裂纹有着重要乃至决定性影响的因素。为了实现淬火目的，通常要加速零件在高温段内的冷却速度，使其超过钢的临界淬火冷却速度以得到马氏体组织。这样做能增加抵消组织应力作用的热应力值，从而减少工件表面上的拉应力，达到抑制纵裂的目的，且效果会随高温冷却速度的加快而增大。
而且，在能淬透的情况下，截面尺寸越大的工件，尽管实际冷却速度更缓，但开裂的危险性反而愈大，这是因为这类钢的热应力随尺寸增大、实际冷却速度减慢而减小，组织应力却随尺寸增大而增加，最终形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面，这与冷却愈慢应力愈小的传统观念截然不同。对于这类钢件而言，在正常条件下淬火的高淬透性钢件中通常只能形成纵裂。
避免淬裂的可靠原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性，仅仅实行马氏体转变区内的缓冷却并不足以预防纵裂的形成。一般情况下，只能产生在非淬透性件中的弧裂，虽以整体快速冷却为必要的形成条件，但其真正形成原因，却是淬火件局部位置（由几何结构决定）在高温临界温度区内的冷却速度显著减缓，因而没有淬硬所致。
产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈，则是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心，而在淬火件未淬硬的截面中心处，首先形成裂纹并由内往外扩展造成的。为避免这类裂纹产生，往往会采用水--油双液淬火工艺，在此工艺中实施高温段内的快速冷却，目的仅在于确保外层金属得到马氏体组织，而从内应力角度来看，这时的快冷其实有害无益，后期缓冷的目的主要是减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度，进而减小应力值，最终抑制淬裂。
对工件疲劳强度的影响
渗碳表面强化作为提高工件疲劳强度的常用方法，应用十分广泛，一方面是因其能有效增加工件表面的强度和硬度，提高耐磨性；另一方面则是渗碳能改善工件的应力分布，在工件表面层获得较大的残余压应力，从而提高工件的疲劳强度。如果在渗碳后再进行等温淬火，还会增加表层残余压应力，使疲劳强度得到进一步的提高。
例如，对35SiMn2MoV钢渗碳后进行等温淬火与渗碳后淬火低温回火的残余应力进行测试发现，等温淬火比通常的淬火低温回火工艺具有更高的表面残余压应力，即便等温淬火后进行低温回火，其表面残余压应力也比淬火后低温回火高。这表明渗碳后等温淬火比通常的渗碳淬火低温回火获得的表面残余压应力更高，从表面层残余压应力对疲劳抗力的有利影响角度来看，渗碳等温淬火工艺是提高渗碳件疲劳强度的有效方法。
渗碳淬火工艺能获得表层残余压应力以及渗碳等温淬火能获得更大表层残余压应力，主要有两个原因。其一，表层高碳马氏体比容比心部低碳马氏体的比容大，淬火后表层体积膨胀大，而心部低碳马氏体体积膨胀小，制约了表层的自由膨胀，造成表层受压心部受拉的应力状态。
其二，高碳过冷奥氏体向马氏体转变的开始转变温度（Ms）比心部含碳量低的过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度（Ms）低，在淬火过程中往往是心部首先产生马氏体转变引起心部体积膨胀并获得强化，而表面还未冷却到其对应的马氏体开始转变点（Ms），仍处于过冷奥氏体状态，具有良好的塑性，不会对心部马氏体转变的体积膨胀起严重的压制作用。
随着淬火冷却温度不断下降，表层温度降到该处的（Ms）点以下，表层产生马氏体转变，引起表层体积的膨胀，但此时心部早已转变为马氏体而强化，所以心部对表层的体积膨胀会起很大的压制作用，使表层获得残余压应力。并且，渗碳后进行等温淬火时，当等温温度在渗碳层的马氏体开始转变温度（Ms）以上，心部的马氏体开始转变温度（Ms）点以下的适当温度等温淬火，能更好地保证这种转变的先后顺序特点（即保证表层马氏体转变仅仅产生于等温后的冷却过程中）。
同时，渗碳后等温淬火的等温温度和等温时间对表层残余应力的大小有很大影响，比如对35SiMn2V钢在不同等温温度和时间下的残余应力测试表明，等温温度越低、等温时间在一定范围内越长，表层残余压应力越大。
不仅如此，能降低表层马氏体开始转变温度（Ms）点的表面化学热处理如渗碳、氮化、氰化等都为造成表层残余压应力提供了条件，像高碳钢的氮化--淬火工艺，由于表层氮含量的提高而降低了表层马氏体开始转变点（Ms），淬火后获得了较高的表层残余压应力，使疲劳寿命得到提高。
氰化工艺往往比渗碳具有更高的疲劳强度和使用寿命，也是因为氮含量的增加可获得比渗碳更高的表面残余压应力。此外，从获得表层残余压应力的合理分布角度来看，单一的表面强化工艺不容易获得理想的表层残余压应力分布，而复合的表面强化工艺则可以有效改善表层残余应力的分布，如渗碳淬火的残余应力一般在表面压应力较低，最大压应力出现在离表面一定深度处，而且残余压力层较厚；氮化后的表面残余压应力很高，但残余压应力层很浅，往里急剧下降。若采用渗碳 - 氮化复合强化工艺，则可获得更合理的应力分布状态，所以像渗碳--氮化、渗碳--高频淬火等表面复合强化工艺，都是值得重视的方向。
应对热处理应力的策略与结论
热处理过程中产生的应力虽不可避免，但我们可以通过控制热处理工艺，尽量使应力分布合理，以此将其有害程度降低到最低限度，甚至变有害为有利。例如，当热应力占主导地位时应力分布为心部受拉表面受压，当组织应力占主导地位时应力分布为心部受压表面受拉。了解这些不同应力的特点以及它们对工件产生的各种影响，有助于我们在实际生产中采取针对性的措施，优化热处理工艺，提高产品质量，延长工件的使用寿命，让热处理工艺更好地服务于工业生产的各个环节。
总之，我们要充分认识到热处理应力在工件热处理过程中的复杂性和重要性，掌握其规律，合理运用相关工艺手段，趋利避害，实现工件性能的优化和生产效益的提升，推动相关行业的高质量发展。
综上所述，我们可以得出以下结论：热处理过程中产生的应力不可避免且常有害，但可通过控制热处理工艺使应力分布合理，将有害程度降至最低甚至变有害为有利。其中，热应力占主导时应力分布为心部受拉表面受压，组织应力占主导时则是心部受压表面受拉；高淬透性钢件易形成纵裂，非淬透性工件常形成弧裂，大型非淬透工件易出现横断和纵劈；渗碳会使表层马氏体开始转变温度（Ms）点下降，致淬火时马氏体转变顺序颠倒，心部先转变进而获得表层残余压应力以提高抗疲劳强度，且渗碳后进行等温淬火能保证心部先充分转变后表层再转变，让工件获得比直接淬火更大的表层残余压应力，进一步提高渗碳件疲劳强度；此外，复合表面强化工艺可使表层残余压应力分布更合理，明显提高工件疲劳强度。
总而言之，热处理应力这一贯穿于工件热处理全程的关键因素，犹如一把"双刃剑"，既可能因处理不当给工件带来变形、开裂等不良影响，又能在合理调控下助力提升工件的疲劳强度等性能。深入探究其分类、产生机制、影响以及应对策略，是我们在工业制造领域不断追求高质量生产的必由之路，也期待未来能有更多创新工艺与方法涌现，让热处理应力更好地服务于工业发展，为制造出更优质的产品筑牢根基。