热时效工艺效果评估与意义

热时效工艺效果评估与意义

消除残余应力的热时效过程就是把工件加热到弹塑性转变温度，并保持有一定时间，使工件的残余应力得到松弛，然后极为缓慢的降低温度，使工件在冷却之后处于低应力状态。这一具体过程是在热时效处理炉中进行的。热时效过程一种高成本、高排放、高污染的时效工艺，而且操作过程中对工艺的把握要求很高。保温时间或升降速度等多种因素在工件中产生多种残余应力分布不均匀的现象，造成工件在后续的加工过程中的开裂倾向性增大，甚至导致产品品质降低，增加制造、售后服务成本等多方面弊端。

一、热时效与残余应力

影响热时效效果有以下几个方面的因素：

1.温度

2.保温时间

3.升温时间

4.降温时间

5.热时效炉的温差

6.工件在炉中的放置

与支承。

工件在机械加工中产生的能量以弹性能储存在工件内部形成应力，或者在热时效过程热能以热应力的形式也储存在工件内部，这些应力的存在严重的威胁工件的机械性能，严重时造成工件的开裂与失效。因此，当前机械行业中的一个重要需求就是在不降低工件的机械性能的前提下，充分消除工件的残余应力，在这样的背景下，残余应力消除的量化评估对于整个机械行业来说有着重要的意义。

二、热时效工艺效果量化评估意义

对工件或成品中的残余应力进行量化评估，最突出的表现在于它不仅可以实现提升产品品质，节省生产成本的目的，而且还能够满足热处理行业中迫切需要的节能减排的社会要求。此外，从技术的角度来看，残余应力的量化评估为机械行业的发展提供了一种新的检测与评定手段。

1、建立热时效工艺的残余应力消除量化标准是行业内的一种需要

在多年生产实践中，残余应力的重视程度一直不是很高。只有当产品发生变形或开裂的时候，才会对加工工艺及事故现象进行分析，最终多采取加入或调整热时效工序的方式，而忽视了该工艺对残余应力的作用效果。这种轻视残余应力检测工作的生产方式成了一定程度上人力、物力、财力的浪费，是过去粗放式生产方式的延续，而且，对于残余应力的消除程度，缺乏一个可把握性的量化标准，因此，对于残余应力进行检测并建立在热时效实践基础上的残余应力消除量化标准可避免产品失效事故的发生，并对于机械行业的生产起着积极的预防和指导作用。

2. 热时效工艺中残余应力消除效果的量化标准

对于不同产品的生产和研制中，残余应力是一个重要的考虑因素。对于产品经过热时效后，残余应力是怎样的分布，以及通过什么样的量化标准来衡量新品的时效工艺效果都是残余应力消除量化标准的具体内容。就国内而言这些工作做的很少，原因在于残余应力的研究

不仅需要专业的团队来完成，而且还需要先进可靠的检测设备。

3.热时效工艺条件苛刻，如温度高低，时间长短，温度速率等很多因素，都会影响处理后的工件残余应力的消除效果，如果操作不好，就无法达到技术要求，造成工件存在变形、开裂隐患。

例如，在热时效工艺要求中，炉内温度差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。保温时间也不易过长。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快得多，构件各部分的温差剧增会造成附加温度应力。轻者造成时效效果下降或零件变形，重者如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。热时效降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。这些都会增加热时效生产成本、时间成本，制造、售后服务成本，造成时间和能源浪费等不利于生产的弊端。

因此，为了增强热时效工艺的可控性，可以从残余应力检测这个角度入手，做出对整个热时效工艺前后，产品的残余应力的检测与评估，保证热时效效果的有效性，减少不必要的成本投入和资源浪费。

4.在热时效炉中，工件装炉位置消除残余应力的不一致性。如表1所示，对于产品在热时效炉内各个位置进行热时效过程的效果是不一样的，炉内中部的应力消除能力高于其他的部位。这种热时效炉内消除残余应力的不均匀性现象也需要一个热时效效果的量化标准。

表1工件在热时效炉内不同位置消除参与应力的结果

序号炉内

位置

残余应力大小（MPa）

残余应力下降率（%）时效前时效后

σ1σ2σ3σ4σ1σ2平均

1 后端10.4 7.9 6.6 6.

2 36.7 21.4 29.1

2 中端10.4 7.9 5.1 1.6 51.2 79．6 65．4

3 前端10.

4 7.9 9.1 8.1 12.6 -2.4 5.1

.

5.热时效工艺次数、工序合理性评估。在生产实践中，热时效工艺要进行多次安排，或者在不同工序也要按照行业内规定的流程进行多次进行，所以，对于每一次的热时效工艺以及每一道工序进行的合理性就需要一个量化的标准，而通过对残余应力的消除量化标准就可以对工艺的次数和工序进行一个客观合理的评估。

三、残余应力的检测

现有的残余应力测量方法主要包括有机械法与无损检测两大类：机械法对试件具有一定程度的破坏，通过应力释放的方式可以测得残余应力，主要包括盲孔法、剥层法、取条法、切槽法等；无损检测的方法为可以保证试件的完整性，包括激光干涉法、云纹分析法、X 射线衍射法、中子衍射法、磁应力法和超声法等。

在众多的残余应力检测中，X 射线衍射法通过测量晶格间距变化求出应力大小，该方法原理成熟，可重复测量、测试精度高、无损于试件等优点，为目前最先进、无损、可靠，切实可行的残余应力测定方法，在残余应力无损检测领域具有公认的权威性，有助于进行工艺实施前后的效果验证；

X 射线对试件表面照射，在晶格某一晶面上发生衍射,如图3。X 射线的波长λ、衍射晶面间距d 和衍射角2θ之间，整个衍射过程遵从著名的布拉格定律：

2dsinθ=nλ. （1）

根据广义胡克定律：σ=K ×M （2）

其中：K 为应力常数， 00180

cot )1(πθμ+-=E K （3） M 由实验测定，)

(sin )2(2ψ∂∂=θM （4） 在上述公式的基础上，K 值是一个常数，只要得到2θ-sin 2Ψ之间的关系就可以得到M

值，从来由式（2）计算出我们需要的应力值。在具体的检测过程中，经过特殊的计算机软件程序进行计算，就可以得到在某一平面上的各个方向上的残余应力值，如图4所示。

图1 X 射线衍射测残余应力