表面淬火淬硬层深度和分布对工件承载能力的影响

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：例如，淬硬层深度选择不当，或局部表面淬火硬化层分布不当，均可在局部地方引起应力集中而破坏工件。因此表面淬火淬硬层深度必须与承载相匹配。对高频表面淬火而言，中、小尺寸零件淬硬层深度为工件半径的10%～20%，而过渡区的宽度为淬硬层深度的25%～30%，实践证明较为合适。

虽然表面淬火有上述优点，但使用不当也会带来相反效果。例如，淬硬层深度选择不当，或局部表面淬火硬化层分布不当，均可在局部地方引起应力集中而破坏工件。

1.表面淬火硬化层与工件负载时应力分布的匹配

设有一传动轴，承受扭矩，其截面上剪切应力如图4-12直线1所示。设表面淬火强化后其沿截面各点强度如图中曲线2所示，则曲线1与2交于X和Z点。曲线2的XYZ线段位于曲线1下方，即此处屈服强度低于该轴负载时所产生的应力，则此处将发生屈服。尤其在Y点处，应力与材料强度差值最大，可能在此处发生破坏。如果淬硬层深度增加，如曲线3所示，此时材料各点强度均大于承载时应力值，故不会破坏。因此表面淬火淬硬层深度必须与承载相匹配。

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图4-12　表面强化与承载应力匹配示意

1—工件负载时应力分布；2—浅层淬火时沿截面各点屈服强度；3—深层淬火时沿截面各点屈服强度

2.表面淬硬层深度与工件内残余应力的关系

表面淬火时由于仅表面加热，仅表面发生胀缩，故表面将承受压应力。淬火冷却时表面热应力为拉应力，而表面组织应力为压应力，二者叠加结果，表面残余应力为压应力，如图4-13所示。这种内应力是由表面部分加热和冷却时的胀缩和组织转变时的比容变化所致，显然其应力大小及分布与淬硬层深度有关。

试验表明，在工件直径一定的情况下，随着硬化层深度的增厚，表面残余压应力先增大，达到一定值后，若再继续增加硬化层深度，表面残余压应力反而减小，如图4-14所示。

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图4-13　表面淬火时残余应力分布

(a)热应力；(b)组织应力；(c)合应力

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图4-14　不同钢材硬化层深度与最大残余压应力的关系(中空试样，外径66mm，内径49mm)

1—45；2—18Cr2Ni4W；3—40CrMnMo；4—40CrNiMo

残余应力还与沿淬火层由表及里的硬度分布有关，即与马氏体层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间的比例有关。图4-15为淬硬层(图中之Xk)与非淬硬层交界处硬度降落的陡峭程度(直接影响过渡区宽度)与残余应力分布关系示意图。由图可见，过渡区硬度降落越陡，表面压应力虽较大，但紧靠过渡区的张应力峰值也最大；过渡区硬度降落越平缓，过渡区越宽，张应力峰值内移且减小，但残余压应力也减小。张应力峰值过大，不仅可能引起残余变形，而且当工件承载时，与负载所引起的相同符号应力叠加后导致破坏，因此要充分注意。

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图4-15　残余应力与过渡区宽度的关系

残余应力的分布还和钢中碳含量有关。因为碳含量越高，马氏体比容越大，组织应力越显著，在表面淬火条件下，残余压应力越大。

可见，对每一个具体零件来说，都有一个合适的淬硬层深度及过渡区宽度。这时在静载荷下，不至于有局部地区的屈服强度低于零件工作应力，表面有足够大的残余压应力，而又不至于有太靠近表面的过高张应力峰值。对高频表面淬火而言，中、小尺寸零件淬硬层深度为工件半径的10%～20%，而过渡区的宽度为淬硬层深度的25%～30%，实践证明较为合适。

3.硬化层分布对工件承载能力的影响

当工件进行局部表面淬火时，存在着淬火区段与非淬火区段间的过渡问题。图4-16为直径65mm圆柱经局部表面淬火后的硬度和残余应力分布。由图可见，在离淬硬层一定距离外存在着拉应力峰值，若和外加载荷所产生的应力叠加，特别是在截面突变区，很可能导致工件破坏。为了避免这种现象发生，要尽量避免在危险断面处出现淬硬层的过渡。如图4-17所示两种淬硬层的分布，正确者应采用图4-17(b)的淬硬层分布。

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