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金属材料的热处理技术，是指通过对材料加热、保温、冷却过程的控制，来达到改变金属材料微观晶格结构、提升材料力学性能的目的，然而热处理过程往往会有残余应力的形成。残余应力的存在使材料处于不稳定状态，对材料性能及疲劳寿命有着深远影响。本文对热处理残余应力产生机理及常用控制方法进行介绍。
1、 热处理残余应力的产生机理热处理残余应力是热处理过程中的热应力、相变应力和塑性变形应力的综合表征。
1.1 热应力
材料在加热和冷却过程中，由于表面和内部各部分温度变化不同，产生的温度差会导致材料各部位之间的膨胀或收缩不均匀，进而引起内部应力的产生。当材料处于加热阶段时，表面温度先于内部温度上升，表面发生膨胀，而内部由于温度相对较低，膨胀较小，这种不均匀的膨胀导致表面受拉应力，而内部受压应力。在冷却阶段，温度梯度更为明显。工件表面直接接触冷却介质，温度下降较快，收缩幅度大于内部，表面产生收缩应力(压应力)，而内部由于温度仍然较高，处于膨胀状态，二者之间的应变差异继续导致应力的分布和演化。而复杂形状的工件，在结构上由于温度梯度的变化也会产生应力的拉扯。
展开剩余83%1.2 相变应力
材料在加热或冷却过程中，随着温度的变化，组织结构会发生变化，也就是相变。不同相的体积和相应的物理性质不同，在不同部位的不同步性直接导致了相变应力的产生。对于钢铁材料的淬火过程中，材料迅速冷却，奥氏体向马氏体的转变通常伴随着体积膨胀。相变发生的温度带通常较宽，材料各部位的相变并不同步，产生的相变应力往往具有复杂的结构分布特征。相变应力的产生不仅取决于相变的类型，还与材料的热物理性质、相变温度以及相变速率密切相关。在工件表层和心部之间，由于温度梯度的存在，表层通常比心部更早完成相变，导致表层和心部之间出现明显的应力差异。相变过程中产生的体积膨胀通常会在材料内部产生拉应力，而表面由于受到内部未相变部分的约束，则容易形成压应力。相变应力的大小还受到冷却速度的影响，急冷条件下，由于相变速率较快，体积变化在短时间内剧烈发生，应力通常较高，而在缓冷条件下，由于相变过程较为平缓，所产生的应力相对较小。此外，相变应力可能引起材料发生塑性变形，使残余应力分布更加复杂。相变应力不仅改变材料的力学性能，还可能引发微小裂纹的生成和扩展，进而减少材料的疲劳寿命和抗腐蚀能力
1.3 塑性变形的影响
在热处理过程中，材料因温度变化和相变应力的叠加作用，可能会发生内部塑性变形，使残余应力分布更为复杂。在淬火过程中，材料表面快速冷却产生的拉应力和内部缓慢冷却产生的压应力，可能导致塑性变形。一旦这些应力超过材料的屈服极限，就可能引起塑性变形。塑性变形不仅调整材料内部的应力分布，还可能在表层和内部产生不同性质的残余应力，如拉伸应力和压缩应力可能共存。塑性变形引起的残余应力不仅影响材料的强度和硬度，还对其疲劳性能和抗腐蚀性能产生负面影响。
2、 热处理残余应力的控制2.1 热处理工艺的优化
在加热过程中，应优先使用等温加热技术，以减少材料内部与外部的温度差异，从而降低热量所产生的应力。这种方法能够显著降低热应力的积累。控制加热速度也是关键。通常建议将加热速度控 制在 5~10℃/min 之间，以避免因急剧加热而产生的过高热应力。温度和保温时间直接影响材料内部的相变行为、 组织结构以及应力的形成与演化，因此，精确控制这两个参数是优化淬火工艺、减少残余应力的重要手段。淬火温度的选择必须基于材料的化学成分、相变特性以及最终的性能要求。虽然较高的淬火温度能够促使奥氏体更完全地转变，但这样做同时也可能引起 材料表面和内部的温度差增大，进而导致由温度梯度引起的应力增加。反之，如果淬火温度设定过低，则可能导致材料未能完全转变为奥氏体，从而引发相变不彻底，导致材料的最终性能未达到预期标准。在较均匀的温度条件下完成相变，同时尽量减少温度梯度对残余应力的负面影响。
在冷却过程中，选择合适的冷却介质和冷却速度至关重要。对于较厚的零件，为减缓冷却速度，从而缩小工件表面与内部的温度差异，可以考虑采用油冷法代替水冷技术，与水冷相比，油的冷却速度较慢，工件温变更均匀，可以显著减轻冷却过程中产生的热应力，适用于淬透性较好的钢材或形状较为复杂的工件。也可以向水中添加其他冷却剂或采用逐步冷却的策略，进而通过调整冷却速率来控制应力的形成。
2.2 后续热处理和稳定化处理
后续热处理是释放残余应力的有效途径，常见的技术包括回火处理、退火处理和热时效处理。淬火后常进行回火处理，通过精确控制温度和保持时间，能有效减少残余应力。热时效是将金属放置在加热炉中，经过升温、保温和降温三个过程的温度变化，使金属迅速膨胀和收缩，降低材料的屈服极限，因而残余应力高的地方，就会超出屈服极限，使晶格滑移，产生微小的塑性变形，从而将残余应力释放、降低和均化。热时效消除应力效果良好，但需要专用的加热炉，投资大、能耗大、效率低、污染环境容易产生新的变形和二次应力等问题
稳定化处理也是降低残余应力和提高材料尺寸稳定性的常用技术，通过低温处理或多次回火，稳定化处理可以使材料内部的残余应力进一步释放，同时使残余奥氏体趋于稳定，从而提升材料的尺寸稳定性。
2.3 振动时效
从而降低工件的局部峰值应力和均化工件的残余应力场。
振动时效是以振动的形式给工件施加附加动应力，当附加动应力与工件残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定
振动时效处理的弹性体其残余应力可以被消除20%～80%左右，高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。可以防止和减少由于热处理、机加工等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高弹性体抗变形的能力，稳定弹性体的精度，提高机械质量。
2.4 热处理与振动时效组合
热处理与振动时效组合是一种通常用于单一方式并不能有效的控制残余应力的技术手段。可以先热处理再振动时效，或者先振动时效再进行热处理。先后顺序需要根据具体材料、结构进行试验验证后进行批产应用。
2.5 热态频谱谐波振动时效
热态频谱谐波振动时效技术是一种新型的残余应力均化方法，它是以不改变材料的组织状态为前提，在一定温度条件下对时效件 施加循环动载荷，通过热与振动效应的复合，实现时效件中残余应力的降低与均化。
热态频谱谐波时效考虑初始残余应力场、温度场热效应和模 态振型的条件下，对时效件进行热-振复合残余应力均化处理。它通过初始残应力场的建立来确定时效处理部位;通过仿真确定温度场作用下系统的模态振型和动应力，确定相应的工艺参数，从而实现针对处理，在工程实践中已取得了较好的应用效果。
3、总结金属热处理过程形成的残余应力对工件的力学性能有着深远影响，残余应力的形成与控制研究为理解材料在热处理过程中的行为提供了科学依据，有效控制残余应力是提高材料综合性能和疲劳寿命的关键。热处理残余应力的控制策略，包括热处理工艺参数优化、稳定化处理、热时效，机械振动及热态机械振动等方式。研究表明，针对性的选择消除热处理残余应力的方式可显著提高金属材料的机械性能、疲劳寿命和抗腐蚀性能。（作者：北京翔博科技）
参考资料：
《金属热处理中的残余应力分析与控制策略》 冶金与材料 2024年 第44卷 第10期 肖潇。
《热处理过程中残余应力的形成与控制策略》 冶金与材料 2024年 第44卷 第11期 陈强配资靠谱股票配资门户。
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