大锻件在热处理过程中的内应力与断裂

    大型锻件（如扎辊、电站转子等）在生产和使用过程中往往发生断裂。断裂的形式有横断、纵裂、置裂、脱肩和龟裂等。那么，锻件究竟为什么产生断裂呢？众所周知，材料的断裂只有在垂直于破断面上的应力超过材料的破断强度时才能发生。 这种情况可能是由于锻件的负荷过髙，超过了材料的实际破断强度所引起的也可能是材料强度在加工或工作过程中降低所引起的。例如，锻件产生过热或出现白点时所引起的断裂就 是厲于后一种情况，而厲于前一种情况的例子是热处理工艺不当（如加热或冷却不当）或使用不当，而使应力增加所引起的断裂。

    总之，无论什么样的断裂都离不开应力。本节主要讨论锻件在热处理过程中产生的内应力的基本规律及其与大型零件的热处理断袈的关系。热处理时的基本内应力，众所周知，钢加热或冷却时要发生膨胀或收缩,此外，相变对也有膨胀和收缩。锻件在加热或冷却时，其内外不可能同时均勻地被加热或冷却，工件内外存在着温差，从而引起比容差。同样，工件在加热或冷却时，其心部和表面也不可能同时发生组织转变，因而也引起比容差。这些比容差就是热处理时产生内应力的主要原因。其中由工件内外温差所引起的内应力称为“热应力' 而由工件内外组织转变的时刻不同所引起的应力称为组织应力，此外还有沿锻件截面上的组织差异所引起的应力。

   锻件热处理后的残余内应力是上述几种内应力的综合作用结果。锻件加热时，加热时间较长，有较充分的保温时间，而且锻件在髙温下具有良好的塑性，所以可以认为加热时的热应力和组织应力能够通过锻件中的塑性变形、回复与再结晶等过程松弛掉，因而可以认为热处理后锻件中剰下的仅仅是冷却过程中的热应力和组织应力的疊加结果。急冷时的热皮力，通常淬火时，不仅有热应力发生而且同时还有组织应力发生，为了研究只有热应力的情况，可把钢加热到4点以下（不发生任何组织转变)，随后急冷，则所得到的残余应力全部都是热应力。

     既然脆性断裂是由宏观尺寸裂纹扩张引起的，而裂纹在制件生产和服役过程中发生又是 难以避免的，那么防止裂纹扩张就成为安全性的必要保证。早在本事纪20年代初，GHffih玻璃释解为、陶瓷等脆性材料的实际强度远低于其理论 强度的现象，增设材料中有微裂纹存在，并根据微裂纹扩张时分离出新表面所需之表面能 由累积弹性能的减少来提供这一能量平衡条件，成功地得到了这类材料的实际强度和裂纹尺寸间的关系。对于金属材料，即使是脆性较大的高强度材料，裂纹扩张前紧靠裂紋前缲一觳都要发生 一定的塑性变形，也就是说金属材料裂纹扩张不仅分离出新表面要消耗能量，而且裂纹前缘 局部地区的塑性变形也要消耗能量。用能量平衡方法研究裂纹的扩张过程，很少考虑裂纹前缘局部地区的应力和应变状态•而断裂韧性准确的物理意义及测定方法都与此关键地区的力学状态有密切关系。在裂纹几何参数一定的情况下，随着外加应力增加:数值增加，从而裂纹前缘局部地区的各应力与位移分量的数值也增加。由于金属材料多少总具有一定的塑性变形能力这样在紧靠裂纹尖堆地区的应力集中数值超过材料的屈服极限处将产生塑性变形。

     断裂韧性原理建立了裂纹前缘局部地区应力场与零件中作用的名义应力、材料的性能和引起脆性断裂的必须的裂纹尺寸之间的联系，这就有可能根据材料的断 裂韧性确定零件的最大实标工作条件。