金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨

种应力对材料的影响有利也有弊”Ｊ，下面主要对金属
金属加热和冷却中组纵变化，对于钢铁材料，化
热处理中的应力与形成裂纹间的关系中的一些问题 学成分相同时奥氏体（面心市方晶格）的比容小于珠
进行探讨。
光体的比容，珠光体的比容小于马氏体（体心立方晶
Ｉ金属热处理中的应力问题
格）的比容，因此淬火冷却时。奥氏体向马氏体转变 时会引起体积膨胀（２％一３％）；有色金属中的台金时
金属热处理残余应力与开裂失效关系的探讨
陈再良，吕东显，曹明宇，付海峰 （北京机电研究所，北京１０００８３） 摘要：分析金属热处理中的热应力和相变引起的组织应力产生原因，认为金属残余应力（内应力）存在是材料 不稳定状态，随着材料的加工和使用条件（特别是温度和环境）变化，这种应力状态会发生改变。论文结合钢 铁和铝合金热处理中的开裂问题，提出了金属残余应力与开裂失效的判据一一即当材料中的内应力（或应力强 度园子）大于该材料局部区域的失效抗力时就出现开裂失效；最后提出一些减少会属开裂和裂纹愈台的可能途 径。 关键词；金属热处理：热应力；残余应力；开裂失效；愈合
１．５ＭＰａ．ｍ“２。这说明，时效温度对铝台金热处理残余 ２８ｍｍｘ２８ｎｕｎｘｌ２０ｍｍ）４７０＂Ｃ固溶处理４０ｒａｉｎ后２０℃
应力以及残余应力强度因子都有很大影响：值得注意 的是１６０＂Ｃ时效对铝合金的组织析出及其他性能也产
水中淬火后和时效１２０＂ＣＸ８ｈ的样品，经试验测定，该 状态材料的残余应力引起应力强度因子已经大于该
生很大影响。
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图４ ＬＣ４铝合金水淬后时效温度与轴向残余戍力关系
（ａ）４７０＂Ｃ淬火后自然时效的应力分布；（ｂ）不同时效温度的残
余应力和残余庳力强度因子
图４试验结果表明，该合会淬火后自然时效的轴
图５ ＬＣ４锅合金残余应力引起的应力腐蚀断口形貌
向残余应力町达约１２０ＭＰａ，１２０℃时效为８６ＭＰａ，
作者简介＝陈再良（１９５１一），男，研究员，硕士，主要从事材 效析出相（不同相的比容增大或减小）时等，都会伴
料失效分析、热处理、标准，耐磨材料等方面研究应用等，获
随因相变的体积或者界面的膨胀或收缩，这种相变体
部级等科技进步奖６项，出版论著６部，发表论文７０余篇。
积差而产生的应力称为相变应力（也称为组织应力）。
至今这种技术仍然是现代制造业关键性技术之一。现 １．１热处理中热应力的产生
代制造业中机床零件中６０％．７０％，汽车零件中
金属在加热和冷却中，表层与心部的加热及冷却
７０％、８０％。以及模具产品中几乎１００％零件……都需 要进行热处理；在冶金、交通、航空航天、建筑、石
速度（或时间）不一致，由于温差导致膨胀和收缩不 均而产生的应力称为热应力。这种应力在冷却时更加
材料出现塑性变形； ｏ（残）大于材料的断裂强度——材料出现开裂。
理、表面淬火等可提高零件的表面压应力。在使用过 程中，对零件、构件进行定期检测（用超声波和ｘ光 检测能够发现细小裂纹），防范于未然。材料表层内部 组织缺陷、表层材料的内部缺陷，如夹杂、气孔、锻
ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆａｃｔｏＯ ｉｓ ｌａｒｇｅ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｈａｐｐｅｎ ｃｒａｃｋ ｆａｉｌｕｒｅ Ｆｉｎａｌｌｙ ｓｏｍｅ
ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇ ｃｒａｃｋ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｈｅａｌｉｎｇ ｆｏｒ ｍｅｔａｌｓ ａｖｅ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．
联系电话：０１０．６２９１４１１５ Ｅ—ｍａｉｌ：ｚ１．ｃｈｅｎ＠１６３．ｃｏｍ
通常这种应力的大小与金属局部相变区的冷却速度，
４０
万方数据
《金属热处理》２００７年第３２卷（增刊）
形状和材料的化学成分等因素有关。如果不考虑热应 力时，相变应力一般是表层受拉应力，心部受压应力， 这种应力与热应力相反。
ｏ（残）小于材料的屈服强度——材料出现弹性
表面出现网状组织等）都加速开裂失效，因此改善零 件结构，减少应力集中（如采取圆角过渡；ＤＨ大圆角半 径均可有效的减少应力集中程度）。
充分利用表面压应力的积极作用，例如采取表面 强化的方法提高零件表面质量；对零件进行喷Βιβλιοθήκη Baidu处
变形： ｄ（残）大于材料的屈服强度且小于断裂强度——
《金属热处理》２００７年第３２卷（增刊）
４ｔ
万方数据
同温度时效处理，测定的中心残余应力（轴向应力）
与时效温度的关系见图４１１０ｌ。
图３钢铁工件热处理淬火中出现的典型裂纹形态 （ａ）铡工件尖角处形成开裂； （ｂ）铸造缺陷引起的淬火开裂： （ｃ）碳钢带状碳化物引起淬火裂纹； （ｄ）ＣｒＷＭｎ钢马氏体相变的微裂纹；（ｅ）钢淬火中出现的沿晶开裂；（ｆ）Ｃｒｌ２ＭｏＶ钢线切割后出现的裂纹
残余应力是热处理后保留在金属内部的应力，随 着材料的加工和使用条件（特别是温度和环境）变化， 这种应力状态会发生改变；金属中残余应力存在是一 种不稳定状态，一定条件下这种应力要释放出来，例 如钢铁回火，有色金属时效变形及其他后处理等。通 常残余应力会影响材料的疲劳强度、抗应力腐蚀能力 和形状尺寸的稳定性等，直接影响材料的使用寿命和 安全性。这里重点对金属热处理中的应力与产生裂纹 间的关系举例。
《金属热处理》２００７年第３２卷（增刊）
万方数据
材料的应力腐蚀临界强度园子蜀。，因此就已经可以 使ＤＣＢ试样产生应力腐蚀开裂（图５），断口观察主 要是沿晶开裂。
图５所示的断口特征为长舌形状，断口的中部裂 纹一直扩展到试样另一端部，而表面出现未扩展区。 由图４ａ可知，中部为拉应力，表面为压应力，在开
２热处理应力引起的失效案例分析
２．１钢铁热处理中的应力引起的失效案例
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２．１．１钢热处理的应力分布及裂纹类型 热处理的应力有加热和冷却时的应力，其中以冷
却应力最复杂。图２（ａ）为钢铁热处理的裂纹类型， 包括纵向裂纹、孤型裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和显 微裂纹等。图２（ｂ）为３０钢淬火后不同温度回火１．５ 小时的最大应力分布…。图２（ｂ）表明钢铁件回火时， 随着回火温度的提高，残余应力呈下降趋势，特别是 影响开裂的轴向应力，经过大约５５０℃回火１．５ ｈ后
（ａ）４７０＊（２淬火后自然时教状态；（ｂ）４７０＂（２淬火后１２０＂ＣＸ８ｈ时
经过１６０。Ｃ时效后只有约２０ＭＰａ；由此换算的残余残
效状态：（ｃ）断Ｅｌ特征区示意图
余应力强度因子丘。，在自然时效态为１２ ＭＰａ．ｍ…，
２．２．２铝台金残余应力与开裂原因的分析
１２０℃时效为９．０ ＭＰａ．ｍ”２，到１６０℃时效时降到ＬＣＡ（７０７５）铝合金（ＤＣＢ试样，尺寸
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ：ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｒｅｓｓ，ｃｒａｃｋ ａｎｄ ｈｅａｌｉｎｇ
在金属冶炼加工史中，金属退火、淬火、回火（时
金属热处理中的应力主要包括因材料温差引起
效）、正火和表面改性技术出现在我国已有几千年“】， 的热应力和因金属相变引起的组织应力。
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（不同成分合金有变化）大部分已经消除。目前工业 中回火处理是减少残余应力的主要手段。
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图１冷却时无组织转变的热应力啪（Ｋ为心部，Ｒ为表面） 曲线ａ为弹性状态下表面应力．ｂ为表面实际应力，ｃ为心部
实际应力 １．３热处理中的残余应力产生
金属熟处理的热应力和相变应力叠加的结果就 是材料中心残余应力（也称内应力）。通常宏观残余 应力可以引起材料宏观变形；微观残余应力作用尺度 在晶粒内部或晶粒之间，析出相与母体共格和非共格 界面等。金属热处理中，通常热应力占主导地位时工 件心部受拉，表面受压；当组织应力占主导地位时工 件心部受压，表面受拉，实际应力使两者叠加的结果。
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（ｂ） 图２（ａ）几种典型裂纹类型 （ｂ）３ ０钢淬火后不同温度回火１．５ ｈ后的最大应力分布 （１一轴向应力；２一切向应力；３一径向应力） ２．１．２ 热处理应力引起的开裂失效形态 图３为热处理中的应力引起的开裂失效件的典 型形态Ｕ－９１。 图３（ａ）钢铁工件的尖角处开裂（钢中淬火时棱 角处的应力是平滑表面应力的１０倍）； 图３（ｂ）铸造冶金缺陷在淬火中引起的开裂（由 心部拉应力引起抗力强度低的缺陷处首先开裂）； 图３（ｃ）碳钢中带状碳化物处淬火引起的开裂 （带状碳化物处抗力最小而引起的淬火开裂）； 阁３（ｄ）马氏体相变应力引起的微裂纹（ＣｒＷＭｎ 高碳钢中片状马氏体体积膨胀引起开裂）； 图３（ｅ）Ｔ１０钢９００＂Ｃ加热水淬中出现的沿晶开裂 （晶界抗力最小而引起的淬火开裂）； 图３（ｆ）Ｃｒｌ２ＭｏＶ钢９８０℃油冷２００℃回火后 线切割出现的裂纹（热处理内应力释放引起的开裂）。 ２．２铝合金热处理中的应力引起的开裂案例 ２．２．１铝合金热处理中的淬火应力分布 铝及其他有色金属热处理残余应力对开裂影响 探讨较少。下面以ＬＣ４（７０７５）铝合金为例说明。 ＬＣ４铝合金（尺寸为２８ｍｍｘ２８ｍｍｘｌ２０ｍｍ），经 过４７０℃固溶处理４０ｒａｉｎ后２０℃水中淬火，然后在不
Ｓｔｕｄｙ ０１１ ＲｅｓｉｄｕａＩ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｃｒａｃｋ Ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ Ｍｅｔａｌ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ＣＨＥＮ Ｚａｉ—ｌｉａｎｇ，Ｌ０ Ｄｏｎｇ—ｘｉａｎ，ＣＡＯ Ｍｉｎｇ－ｙｕ，ＦＵ Ｈａｌ—ｆｅｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅＯｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）
化和电子等行业，它为产品更新换代，提高质量，为 突出，由于冷却时金属表层温度低于心部，收缩时表
大家知道，热处理技术是通过对材料加热—令 节能节材和延长寿命做出重要贡献。
面大于心部而使心部受拉应力；当冷却结束时，由于 心部最后冷却体积收缩不能自由进行，而使表层受压
却过程控制，而获得预期的内在品质（组织、结构与 性能）的一种工艺技术。金属在加热（例如：奥氏体
工质量缺陷（如表面粗糙度过大、表面刀痕、磨削裂
由以上结果知道，金属热处理热应力和组织应力 纹、划伤；热处理中缺陷如淬火裂纹、渗碳和氮化等
会引起工件变形，甚至开裂。根据图３，图４和图５ 这里就开裂失效与残余应力问的关系提出一些看法。
（１）材料残余应力ｏ（残）（及由它引起的置，， Ｇ１）与材料局部区域屈服强度的关系，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｍｅｔａｌ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｔａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｄｕｄｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ （ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎＯ ｃｈａｎｇｅｓ．Ｓｏｍｅ ｃｒａｃｋ ｃａｓｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌｓ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ，ｔｈｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆｍｅｔａｌｓ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｆａｉｌｕｒｅ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ（ｏｒ
心部受拉，结果是在热应力作用下，最终使工件表层 受压应力Ｉ町心部受拉应力，图Ｉ是无组织转变时的热
化和固溶，回火和时效等处理）时，以及加热后冷却 应力示意图口Ｊ。通常热应力。与温差△Ｌ冷却速度
（在不同介质中）处理时，改变了材料内部的组织和 ｖ，热传导性和材料屈服强度及成分等因素有关。
性能，同时伴随产生了金属热应力和相变应力１２Ｊ。这 １．２热处理中相变应力产生
３减少热处理开裂和裂纹愈合的途径
金属在热处理过程中不可避免地会产生局部损 伤和微裂纹，并由此引发宏观裂缝而发生断裂，影响材 料正常使用和缩短使用寿命。
首先，要消除裂纹产生的可能根源，如结构设计
裂扩展条件下，应力松弛后造成目前的特殊形态。
缺陷（过大的截面变化、过小的圆角半径等）、表面加
２．１’３热处理残余应力与失效的判据