通過熱處理的方法或機械作用法可以消除工件的殘余應力或使其重新分布。退火和回火能夠部分地或完全地消除殘余應力,是最常用的方法。但是退火和回火還會引起材料的組織變化、硬度下降和其他力學性能的變化。

機械作用法包括靜態應務處理法、沖擊應力處理法、模具鋼材振動處理法等。其原理是在機械力的作用下,使工件產生局部塑性變形,以達到降低和調整殘余應力的目的。機械作用法一般不會改變材料的微觀組織和力學性能,但是只能部分地消除殘余應力或使其重新分布,不可能使殘余應力完全消除。

熱處理對消除殘余應力的作用

1、消除應力退火

消除應力退火的主要目的是消除鑄造、鍛造、焊接及機械加工等工序所造成的內應力。其工藝是將工件加熱至Ac1以下50~200℃,保溫后空冷或爐冷至200~300℃,再出爐空冷。消除應力退火中不發生相變組織轉變,模具鋼材去除內應力的機理是局部塑性變形和蠕變引起的應力松弛。殘余應力超過材料的屈服強度,就會使材料發生塑性變形,因此,殘余應力總是低于材料的屈服強度。通常材料的屈服強度隨溫度的升高而降低。例:溫度升高到620℃,3%NiCr鋼的彈性極限降到約160MPa,也就是說,在620℃退火時,3%NiCr鋼的殘余應力不會超過160MPa?紤]到蠕變變形的影響,殘余應力還會進一步降低。

2、回火與殘余應力的去除

回火的作用之一是消除淬火鋼中的殘余應力。淬火馬氏體是一種不穩定的組織,具有高的硬度和大的淬火應力。鋼淬火后,往往得不到單純的淬火馬氏體,而是形成含有像殘余奧氏體、貝氏體等組織的混合組織。這些不穩定組織在回火過程中,因發生分解而引起殘余應力的消除或重新分布。由于回火加熱,金屬內部原子的振動加劇,鋼的屈服強度降低,塑性增大,也會導致殘余應力因局部塑性變形而降低。

殘余應力消除的程度取決于回火工藝和淬火組織的不穩定程度。在各個工藝參數中,回火溫度對消除殘余應力的影響最大。根據30鋼的淬火應力隨回火溫度的變化可知,450℃以下,淬火應力隨回火溫度的升高緩慢下降,超過450℃回火,殘余應力去除的效果明顯。但是,只有回火溫度達到500~600℃甚至更高時,殘余應力才能接近全部去除。應當指出的是,隨回火溫度的升高,淬火鋼的硬度伴隨馬氏體的分解而降低。因此,為消除淬火應力而選擇回火溫度時,應注意在保證力學性能的條件下進行。例如,冷變形工模具鋼,為保持淬火狀態的高硬度,常采用低溫回火,只能使部分淬火應力得以消除。而對要求高強度、高韌度的結構鋼,往往采用中溫和高溫回火,殘余應力消除的就比較充分。對于Ms點較高的低碳馬氏體鋼,淬火應力較低,低碳馬氏體具有優良的綜合力學性能,加上自回火的作用,可以在淬火態使用;鼗饡r間對殘余應力的影響。殘余應力主要是在回火開始階段去除的,過分延長回火時間對去除殘余應力意義不大。

大鍛件回火冷卻不當,會產生大的殘余應力,這是由于高溫回火后,在高塑性和低彈性的高溫區(碳鋼和低合金鋼>400℃,合金鋼>450℃)快冷時,表面產生了剪切變形的緣故。為了縮短回火時間,提高勞動生產率,在低溫彈性區域內(<300℃=,可以采用較快的冷卻速度。

調質處理大鍛件中的殘余應力屬于熱殘余應力,表面受壓,心部受拉,其表面的殘余應力可用下式近似估算,分別為鍛件表面的軸向和切向殘余應力鍛件在高溫階段冷卻時,工件中的最大溫差。由于回火過程不穩定組織趨向穩定化的過程,而這正是殘余應力消除的原因之一,因此,組織愈不穩定,則在回火加熱時內應力去除的效果愈明顯。應當指出的是,在回火加熱去除應力時,要注意防止鋼的回火脆性和工件的變形。