淬火殘[Can]餘應力是指工[Gong]件經淬火(Huo)、回火後的最終殘存下來的應力，對工件(Jian)的形(Xing)狀，尺寸和性能都有[You]極為重要的影(Ying)響。當它超過材(Cai)料的屈服強度時，便引起(Qi)工件的變形，超過材[Cai]料的強度極限(Xian)時就會使工件開裂，這是它有害的一面，應當(Dang)減[Jian]少和消除。
但(Dan)在一定[Ding]條件下控制應力使之合(He)理[Li]分布，就可以提高零件的機械性能[Neng]和使用壽命，變害為利。分析鋼(Gang)在淬火過程中(Zhong)應力(Li)的分布和變化規律，使之[Zhi]合理分布對提[Ti]高産品質量有着深遠(Yuan)的實際(Ji)意義(Yi)。關于(Yu)表層(Ceng)殘餘壓應力的[De]合理分布對零件使用壽[Shou]命的影響已經引(Yin)起了人們的廣泛[Fan]重(Zhong)視。
一、鋼(Gang)的(De)淬(Cui)火應力
工件在加熱[Re]和冷卻過程中，由于表層[Ceng]和心[Xin]部[Bu]的冷卻速[Su]度和時間的不(Bu)一(Yi)緻，形成溫差，就會導緻(Zhi)體積膨脹和(He)收縮不均而産生應力，即熱應力。在熱[Re]應[Ying]力的作用下，由于表(Biao)層開始溫(Wen)度低于心部，收[Shou]縮也大于心部[Bu]而使心部受拉(La)，當冷(Leng)卻結[Jie]束時[Shi]，由于心部最後冷卻體積收[Shou]縮不能自由進行[Hang]而使表層受[Shou]壓心部受拉。即在熱應力(Li)的作用(Yong)下最終使工件表層受壓[Ya]而心部受拉。
這種現象受[Shou]到冷(Leng)卻速度，材料成分和[He]工藝等因素的影響。當冷[Leng]卻速度愈快，含[Han]碳量和合金成分愈[Yu]高(Gao)，冷卻(Que)過程中(Zhong)在熱[Re]應力作用下産生的[De]不均勻塑性變形愈(Yu)大，最後形成的殘餘應力就愈大。另一方[Fang]面鋼在淬火過程中由于組織的變化即(Ji)奧氏體向馬氏體轉變時(Shi)，比容的增大(Da)會伴随工件(Jian)體積的膨(Peng)脹，工[Gong]件各部位[Wei]先後(Hou)相變，造成體積[Ji]長大(Da)不一緻而産生組織應力[Li]。組織[Zhi]應力變(Bian)化[Hua]的最終(Zhong)結果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與熱應力[Li]相反。組織應(Ying)力[Li]的大小與(Yu)工件在馬氏體相變區的[De]冷卻速度(Du)，形狀，材料的化(Hua)學成分等因素有關。
實踐證明，任何工件在[Zai]淬火過程中的相變，熱應力和組織應(Ying)力都(Dou)會發生。隻不過(Guo)熱應力在組[Zu]織轉變[Bian]以前就已經[Jing]産生了，而組(Zu)織應力則是在[Zai]組織(Zhi)轉變[Bian]過程(Cheng)中産生的，在整個冷卻過(Guo)程中，熱(Re)應力與組[Zu]織[Zhi]應力綜合作用[Yong]的結(Jie)果，就是工件中實際存在(Zai)的應[Ying]力。
這兩[Liang]種應力綜合作用的結果(Guo)是十分複雜的，受着許多因素的(De)影響，如成分、形狀、工藝參數等。就其(Qi)發展過程來說隻有[You]兩種(Zhong)類型，即熱[Re]應力和組織應力，作用方向相反時(Shi)二者抵消，作[Zuo]用方向相同時二者相互叠加。不管是[Shi]相互(Hu)抵消還是相互叠加[Jia]，兩個應力應(Ying)有[You]一個占主導因素，熱應力[Li]占主導地位時的作[Zuo]用結(Jie)果是工件[Jian]心部(Bu)受拉，表面受壓。組織[Zhi]應力占主導地位時的作用結果是工件[Jian]心部受壓表面受拉(La)。
二、應力對淬火[Huo]裂紋的影響
存在于淬火件不同部(Bu)位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在内[Nei])，對淬火[Huo]裂紋的産生(Sheng)都有促進作用，但隻(Zhi)有在拉[La]應力場内(Nei)(尤其是在最大拉應力下)才會表現出來，若(Ruo)在壓應(Ying)力場内并無促裂作用[Yong]。
淬火冷卻(Que)速[Su]度是一個能[Neng]影響淬火質量并決定殘餘應(Ying)力的重要因素，也是[Shi]一個能對淬火裂紋[Wen]賦于(Yu)重要乃至決定性影響的因素(Su)。為了達到淬火(Huo)的(De)目[Mu]的，通[Tong]常必須(Xu)加速零件在(Zai)高溫段内的冷卻速[Su]度，并使之(Zhi)超過鋼[Gang]的臨界(Jie)淬火冷卻速度(Du)才能得到馬氏體組織。
就(Jiu)殘餘應力而論，這樣做由于能增加[Jia]抵消組織應力作用的熱應力值，故能減少工件表[Biao]面上的拉應力而達到抑[Yi]制縱裂的目的。其效果将(Jiang)随高溫冷卻速度的加快[Kuai]而增[Zeng]大。而且，在能淬透的情況下，截(Jie)面(Mian)尺寸越大的(De)工件[Jian]，雖然實際冷卻速度[Du]更緩，開裂的危[Wei]險性[Xing]卻反而愈大(Da)。這一切都是由于[Yu]這類鋼的熱應力随尺寸(Cun)的增大實際冷卻速[Su]度減慢(Man)，熱應力[Li]減小，組織應力随尺寸的增大而增加，最後形成以組織應力[Li]為主的拉應力作用在工[Gong]件表[Biao]面的作用特點(Dian)造成的。并與冷卻愈慢[Man]應力愈[Yu]小的(De)傳統觀念(Nian)大相徑庭。對這(Zhe)類鋼件而言，在正常[Chang]條件(Jian)下淬火的高淬透性鋼件中隻能形成縱裂。
避(Bi)免淬裂的原則是設法盡量減(Jian)小(Xiao)截面内外馬氏體(Ti)轉變的不等時性。僅僅實(Shi)行馬氏體轉變[Bian]區内的緩(Huan)冷卻不足以預防縱裂的形成(Cheng)。一[Yi]般情況下隻能産生在非淬[Cui]透性件[Jian]中(Zhong)的裂(Lie)紋，雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可[Ke]是它的真正形成(Cheng)原因，卻不在快速冷卻(Que)(包括馬氏體轉(Zhuan)變區内)本(Ben)身，而是淬火件局部位置(由幾何[He]結構決定)，在高溫[Wen]臨界(Jie)溫度區内的冷卻速(Su)度[Du]顯著減緩，因而沒有淬硬所緻。産生在大型非淬(Cui)透性件中的橫斷和縱劈，是由[You]以熱(Re)應力為主要成份[Fen]的殘餘[Yu]拉應[Ying]力作用在淬火件中心，而在淬火件末淬[Cui]硬的截面中心[Xin]處，首先形成裂紋并由内往外擴展而(Er)造成的。
為了避免這類裂紋[Wen]産生，往往使用水--油雙液淬火工[Gong]藝。在此工藝(Yi)中實施高[Gao]溫段内的快速[Su]冷卻(Que)，目的僅僅(Jin)在于确保外層金屬[Shu]得[De]到馬氏體組織；而從内應(Ying)力的角度來看，這時快(Kuai)冷[Leng]有害無益。其(Qi)次，冷卻後期緩冷的目的(De)，主要不是為[Wei]了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應力值[Zhi]，而在于盡量減(Jian)小截面溫差和截面中心(Xin)部位金屬的收縮速度，從[Cong]而達到減小[Xiao]應(Ying)力值和最(Zui)終抑制淬[Cui]裂(Lie)的(De)目的。
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