大锻件热处理后的残余应力研究

大锻件热处理后的残余应力研究

张忠宪

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司  黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：大锻件中的残余应力主要来自于锻件在热处理过程中形成的热应力和组织应力，对大锻件热处理残余应力的研究一直是大锻件质量控制的一个重点。采用 X 应力分析法和大截面试样的逐层剥离法系统地研究了大锻件热处理残余应力的形成、沿截面分布和回火时的变化规律。通过采用有限元软件 DEFORM 对大型 Cr5 支承辊锻件在热处理过程中的组织转变和残余应力进行了模拟分析，结果表明在热处理结束后锻件内部存在着较大的残余应力，沿锻件的径向残余应力的应力幅值和应力方向发生了剧烈的变化。

关键词：大锻件；热处理；残余应力  

白点是锻件内部的一种微裂纹，在锻件的横向截面上，白点呈现为发纹状或锯齿状，其厚度很小，通常为 0.001~0.1mm ，在锻件的纵向断口上白点呈现为圆形或椭圆形的银白色斑点，平均直径由几毫米到几十毫米不等。白点是由于钢中的氢和残余应力共同作用的结果，没有一定数量的氢和较显著的残余应力，白点是不能形成的。

一、大锻件热处理的特点

大锻件并无严谨而科学的定义。锻件的大小是相对而言的，一般按其质量划分，可指单重 5t 以上的轴类锻件和单重约2t以上的圆盘类锻件。尽管大锻件与中小型零件的热处理基本原理并无实质上的差异，但由于大锻件尺寸大、质量大，在其热处理工艺的制订与实施方面必须考虑以下因素: ①钢锭和锻件的冶金特性。由于大锻件是由大型钢锭锻制而成，钢锭越大，其气体、杂质的含量越高，偏析、疏松、缩孔、非金属夹杂物等组织和成分的不均匀性也越严重，并且由于钢锭大，锻造时往往不能锻透，这些冶金缺陷将不同程度地残留在锻件中，从而使大锻件热处理工艺的制订和工艺过程的实施均变得复杂化。 ②内应力。大锻件在热处理加热和冷却过程中，表面与心部的温差必然很大，因而增加了锻件的热应力，而且锻件不同部位组织转变的不同时性严重，导致组织应力增大，即大锻件在热处理过程中将产生很大的内应力。这不仅影响大锻件的组织转变，严重时还会使大型锻件在热处理过程中或在热处理结束后的放置过程中发生开裂，或者因为内应力的存在而降低零件在服役时的有效承载能力。③相变潜热。钢件在热处理过程中发生相变时会释放或吸收相变潜热。对大锻件而言，由于尺寸大，热传导速度受到限制，相变潜热对加热和冷却过程的影响比较明显。④回火脆性。大型锻件回火后快冷也会产生很大的残余应力，将影响零件的使用性能。因此，大锻件应采用较低的回火冷却速度。但另一方面，缓慢的冷却速度将使钢的回火脆性得不到抑制，特别是一些重要的大锻件，例如发电机和汽轮机转子等，都采用淬透性较高的合金钢制造，具有较明显的回火脆性。

二、大型锻件热处理分析

以某大型 Cr5 支承辊锻件为例，模拟分析该锻件的热处理残余应力场。

1、锻件热处理工艺。大型锻件尺寸大，热处理工艺复杂且热处理的时间相对较长。Cr5 支承辊锻件的热处理整个热处理过程可以分为： 预热热处理阶段、差温加热和喷雾冷却阶段以及回火热处理阶段，其目的是为了在轧辊不同位置形成不同的晶粒组织，同时不至于在锻件内部造成较大的残余应力。

2、锻件热处理有限元分析模型。锻件的热处理包含温度变化和组织转变，有限元法是目前热处理分析领域普遍使用的方法。有限元软件 DEFORM中集成了热处理分析模块，在已知热处理边界条件和材料组织转变热物性参数的条件下，可以得到较准确的分析结果。使用 DEFORM 软件的热处理分析模块进行了分析。如图所示。

根据该支承辊锻件几何和边界条件的对称特性，其热处理有限元分析模型，图中 B 点位于锻件的轴心位置，A 点和 C 点位于锻件的辊身表面，E 点和 F 点位于锻件的辊颈表面。表面换热系数是热处理分析中的关键参数，根据该 Cr5 锻件的热处理工艺，其热处理环境主要有 加热炉、喷雾冷却和空冷。根据DEFORM 中的组织转变计算基于材料的等温转变 TTT 曲线和 Scheil 叠加原理，通过时间离散，将连续冷却转变为阶梯冷却。对于珠光体、贝氏体等扩散型相变来说，可以根据材料的 TTT 曲线直接输入，而对于非扩散马氏体转变可以使用 Koistinen-Margurger 方程来计算马氏体转变体积分数：

3、锻件热处理模拟结果。热处理过程中该 Cr5 支承辊锻件 A、B 两点上的温度随时间的变化，可以看出处于锻件轴心位置的 B点温度变化要滞后于锻件表面 A 点的温度变化，B 点温度变化剧烈程度要小于A 点，特别是在差温热处理阶段。与温度变化相对应，热处理结束时 AB 连线上的组织分布如图所示。

由于靠近锻件中心的温度变化要远远小于锻件表面，因此锻件中心附近的组织均匀，为贝氏体和珠光体的混合组织。靠近锻件的表面，组织变化较为剧烈，珠光体迅速消失，贝氏体含量在达到最大值后也迅速的在锻件表面减少为零，而马氏体含量则在锻件表面达到最大值。热处理后该Cr5支承辊锻件表面上的硬 度检测点，分别为该锻件辊身和辊颈部分硬度检测点的硬度值与模拟结果可以看出，辊身和辊颈的硬度模拟值与现场检测的硬度值差距较小，从侧面验证了模拟结果的准确性。热处理后锻件 AB 连线上的残余应力可以看出，靠近锻件心部位置残余应力幅值较大，应力沿径向变化很小。当逐步的向锻件表面靠近时，残余应力迅速衰减，轴向应力和周向应力从拉伸状态转变为压缩状态。根据应力状态的不同，在将 AB 连线上的热处理残余应力分为：X 段为锻件心部，其应力状态为三向拉伸；Y 段为锻件中间层，其应力状态为两拉一压；Z 段为锻件表层，其应力状态为两压一拉。分别在 X、Y、Z 3 段内取 S1、S2、S3 位置的残余应力作为各段的特征残余应力，使用 SR、SZ、S 、SRZ 和 SEQ 分别表示锻件截面上的径向应力、轴向应力、周向应力和纵截面上的切向应力和总体等效应力。

通过对大型 Cr5 支承辊锻件的热处理残余应力模拟分析，大型锻件由于尺寸大，表面和心部的冷却速度不同，由此会在冷却后的锻件内部产生较大的残余应力。沿锻件径向残余应力具有不同的应力状态：三向拉伸、两拉一压和两压一拉。

参考文献：

[1] 康大韬吕炎. 大型锻件材料与热处理 [M]. 北京: 龙门书局, 2018:106-108.

[2] 张海.大锻件热处理后的残余应力研究[J].金属热处理, 2018,27(5): 53-55.