前苏联学者高洛文教授(Г.Ф.Головин)对感应淬火零件的残余应力进行了充分而详尽的研究,早在1962年就发表了专著“高频表面淬火的残余应力与变形”[1],1973年又对这一题材又发表新的著作。他的研究成果被广泛认可。
2.1 轴类零件感应硬化层及其内部的残余应力
一般说来中碳钢(或中碳低合金钢)制造的轴类零件感应淬火后,在其横截面上的金相组织分布,可分为三个层次。表面层是淬火层(也称硬化层),其金相组织为马氏体。与淬火层毗邻的是过渡层,该处的金相组织比较复杂,由马氏体、珠光体和铁素体组成,而且三种组织的数量由表至里呈现规律性变化。再往里是零件心部区域,这里的金相组织是原始组织,即珠光体和铁素体。这三个层次中应力状态如图1所示,图中б切是切向应力、б轴是轴向应力、б径是径向应力。
如图所示硬化层中的残余轴向应力和切向应力性质相同,都是压应力,数值也是相近或相等的,这种应力是由于马氏体比容增大而形成的,因此是组织应力。过渡层的应力是拉应力,是由于珠光体和铁素体从高温到低温体积缩小而产生的,该区域中还有一部分马氏体,它的比容增加能够抵消一部分拉应力,但因马氏体由外向里逐渐减少,使该区域的拉应力表现为主导应力,并出现峰值。第
图1 直径65mm的45钢试样三个主应力分布 三层是心部区域,金相组织由珠光体和铁素体组成,是完全由热应力造成的拉应力,越接近中心应力越小,中心为零。
径向应力是拉应力,其数值较小,对零件性能影响不大,一般不做深入研究。全浮式载重车半轴只承受扭转载荷,它的工作应力是剪切应力,巨大切向残余压应力可以抵消相当数量的工作应力.使半轴的扭转强度特别是疲劳扭转强度大幅度提高。
2.2 感应淬火区边界处的残余应力
感应淬火一般用于零件的局部区域淬火,淬火区的边界处有残余拉应力出现,如处理不好也要影响零件的强度,甚至降低零件的寿命,半轴法兰盘淬火边界的拉应力就造成半轴法兰盘的早期断裂。淬火区边界处的应力状态如图2所示。从图2可以看到在淬火区的边界外有拉应力的峰值出现,高达100MPa以上。该试验的参数是8kHz、加热温度880~900℃、加热时间4.5s。应该说这个试验是非常理想的快速加热,如果加热速度降低,淬火区域以外被连带加热和传导加热的金属材料质量(或体积)会大大增加,拉应力的峰值和作用区域也会大大增大,这种情况将是很有害的。
3. 载重车半轴感应淬火的技术条件商榷
我国载重车半轴大约在70年代末和80年代初,由调质处理改为感应淬火,这一工艺改进使半轴的疲劳寿命提高几倍到十几倍[2],用户反映良好。这是我国汽车制造技术的一大进步。尽管如此,在半轴的材料和感应淬火的技术条件等方面,工艺部门、生产部门和设计部门仍然存在争议,特别在80年代后期,由于汽车严重超载,发生大量断轴的情况,这种争议就更为突出了。
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