鍛造從產(chǎn)生淬火裂紋危險(xiǎn)性的角度來(lái)分析轉(zhuǎn)子的冷卻制度

文章來(lái)源：sjzwx 更新時(shí)間：2014-01-24 09:52:01

 在為關(guān)鍵用途的火型工件選擇急冷工藝而尋找理論根據(jù)時(shí)，對(duì)它們的應(yīng)力狀態(tài)，越來(lái)越廣泛地引人去研究:但是，在這些研究中所用約數(shù)據(jù)，主要是為了對(duì)鋼產(chǎn)生破壞的危險(xiǎn)性進(jìn)行質(zhì)量上的評(píng)價(jià)(按照應(yīng)力分布的水平和特性)及對(duì)比不Pi的冷卻制度:當(dāng)要獲得工件破壞危險(xiǎn)性的定量評(píng)價(jià)f5.J，，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析的實(shí)際意義就更大了。當(dāng)對(duì)產(chǎn)生淬火裂紋進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，主要是在于評(píng)價(jià)工件中的內(nèi)應(yīng)力和工件中的原始缺陷，以及鋼的抗破壞能力。最期望的是確定淬火時(shí)現(xiàn)有應(yīng)力與殘余應(yīng)力的計(jì)算方法。而其先決條件的改變。我們將計(jì)算結(jié)果與已知的計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，以及將計(jì)算結(jié)果與實(shí)心的和空心的圓柱形工件在油中和水中淬火時(shí)所測(cè)得的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)相對(duì)比，驗(yàn)證了確定應(yīng)力的可靠性。例如在參考文獻(xiàn)〔3〕中有些數(shù)據(jù)。我們Li-算了26XIf3M2(D銅轉(zhuǎn)子中的應(yīng)力。物理性能，機(jī)械性能，以及過(guò)冷奧氏體分解的熱動(dòng)力學(xué)曲線與參考文獻(xiàn)〔3〕中所采用的是相同的。人們認(rèn)為，在轉(zhuǎn)子的所有截面內(nèi)，貝茵體轉(zhuǎn)變均發(fā)生在325`C---4000C的溫度區(qū)間內(nèi)。在水巾和油中淬火時(shí)的放熱率數(shù)值是參考文獻(xiàn)C4〕所采用的。它是根據(jù)對(duì)大型工件熱量的測(cè)量參數(shù)，在對(duì)流熱交換的部份，作了一些必要的修正。現(xiàn)在我們分析一下轉(zhuǎn)子中淬火應(yīng)力形成的主要特征。圖表示直徑為一米的在水中淬火的空心和實(shí)心轉(zhuǎn)子，沿其截面的軸向殘余應(yīng)力與切向殘佘應(yīng)力分布的仆算曲線。實(shí)心轉(zhuǎn)子沿半徑的淬火殘余應(yīng)力分布的特征，基本上與溫度殘余應(yīng)力的分布特征是一樣的，(這里沒(méi)有估計(jì)鋼的組織轉(zhuǎn)變殘余應(yīng)力)。在工件心部形成了壓縮殘余應(yīng)力，在表面附近形成了拉伸殘余應(yīng)力。但是與溫度造成的殘余應(yīng)力不同;在工件軸線區(qū)和工件表面，按照絕對(duì)值來(lái)說(shuō)，最大的應(yīng)力是切向應(yīng)力，而不是轉(zhuǎn)向應(yīng)力。殘余應(yīng)力組份的這種比例是淬火轉(zhuǎn)子表面應(yīng)力所測(cè)量的結(jié)果而證實(shí)的t’1。實(shí)心轉(zhuǎn)子軸線區(qū)現(xiàn)今的拉伸應(yīng)力大約是在工件心部貝茵體轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)達(dá)到的，這時(shí)，由于鋼組織中含有大量的奧氏體，所以鋼的抗脆性破壞能力很高，隨著奧氏體分解的完成，拉應(yīng)力急劇下降，而在冷卻終了時(shí)又再次上升。有軸向中心孔的轉(zhuǎn)子中的殘余應(yīng)力分布，與溫度所造成的殘余應(yīng)力的分布，本質(zhì)_I:是決不相同的。(參看圖-1)，在中心孔兩面激冷的情況下，形成了危險(xiǎn)的拉{I'll切向殘余應(yīng)力的“頂峰V。其特點(diǎn)是，如果在鋼中沒(méi)有組織變化，則無(wú)論是在表面區(qū)，還是在心中孔區(qū)，都會(huì)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。在冷卻終止前不久時(shí)，現(xiàn)在的切向應(yīng)力達(dá)到最大值。現(xiàn)有的應(yīng)力與殘余應(yīng)力的最大值之回的差別不大。淬火應(yīng)力的水平和特性，決定了在轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)壁上產(chǎn)生縱向淬火裂紋的可能性。王”J關(guān)于實(shí)心轉(zhuǎn)子與空心轉(zhuǎn)子形成淬火應(yīng)力的上述概念，可以使我們能夠在大多數(shù)情況按照殘余應(yīng)力的水平，來(lái)估計(jì)產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)性。關(guān)于降低帶有軸向中心孔的轉(zhuǎn)子中的應(yīng)力方法，可參看參考文獻(xiàn)C2,3,5',囚此，后來(lái)我們將主要注意力集中于實(shí)心轉(zhuǎn)子的應(yīng)力狀態(tài)。圖2表示在水中和油中淬火的實(shí)心轉(zhuǎn)子的直徑位置，與最大切向拉伸殘于應(yīng)力的關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定:大型轉(zhuǎn)子在水中淬火時(shí)，最大的現(xiàn)存應(yīng)力與最大的殘余應(yīng)力，實(shí)際上與直徑是無(wú)關(guān)的。當(dāng)大型轉(zhuǎn)子在油中淬火時(shí)，工件直徑在本質(zhì)上影響著最大應(yīng)力。圖2所示的關(guān)系曲線計(jì)算數(shù)據(jù)所證實(shí)的是關(guān)于右函.件截面中保持組織轉(zhuǎn)變的特征情了況:下，當(dāng).B1>20時(shí)，工件尺寸和冷卻34度的增加卜對(duì)淬火應(yīng)力的影響是較小的。(這里，B:二a/a..，其中a放熱率系數(shù);幾—金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，R工件的半徑)。已經(jīng)確定:在油中淬火時(shí)，轉(zhuǎn)子直徑_火于2米即可達(dá)到B1>20，而在水淬時(shí)，轉(zhuǎn)子直徑大于0.4米，即可達(dá)到B,>20。眾所周知:a]，若采用“徑水到油”的冷卻，則在工件中得到油淬與水淬殘余應(yīng)力之間的一種中間的殘余應(yīng)力。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)內(nèi)約應(yīng)力，可有兩種補(bǔ)充的可能性，即進(jìn)行“噴霧”或“水掣二暨問(wèn)冷”，‘，;，。為了預(yù)測(cè)淬火裂紋，只計(jì)算轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的應(yīng)力是不夠的，還要選擇一定的破壞標(biāo)準(zhǔn)。目前，正采用淬火時(shí)各種鋼的破壞標(biāo)準(zhǔn)(例如參考文獻(xiàn)(7---9)所述)。但是，最有發(fā)展前景的是斷裂力學(xué)的方法，按照這種方法，在Kr}Ic7c.(1)的條件下，由于拉力而產(chǎn)生破壞。式中1c,-拉應(yīng)力的強(qiáng)度系數(shù)，其單位為泊·米1!-,;Krc-拉應(yīng)力強(qiáng)度的臨界系數(shù)(斷裂韌性)，帕米’rz。Kr。是斷裂韌性，是材料的一種特性，而K，與拉應(yīng)力水平，造成裂紋發(fā)展的缺陷的大小形狀和分布是有關(guān)的。根據(jù)蘇聯(lián)波爾宗諾夫中央鍋爐透平科學(xué)研究院的研究結(jié)果表明，由于“松弛”的影響，淬火鋼的斷裂韌性降低到門檻值Kirth，在淬火成馬氏體時(shí)，門檻值Kirth在其原始值的3a%以下〔.’。但是，在大件內(nèi)部區(qū)域中，典型的1速冷卻淬火以后，鋼的斷裂韌性在將來(lái)幾乎是不改變的。因此，在評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子中形成淬火裂紋危險(xiǎn)性時(shí)，可以利用公式((1)。按照線性的斷裂力學(xué)(即JTMP)〔LOI中的公式，可以確定拉應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)采用線性斷裂紋力學(xué)時(shí)，其根據(jù)是除了裂紋的起始兩端外，全部材料都是處于彈性的狀態(tài)中。看來(lái)，按照淬火接近結(jié)束時(shí)在金屬去載的彈性條件下，用起作用的殘余應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)破壞灼危險(xiǎn)性，即采用線性斷裂力學(xué)的公式是正確的。淬火之前，轉(zhuǎn)子可能有各式各樣的原始缺陷:例如，表面裂紋，內(nèi)部斷裂，白點(diǎn)，非金屬夾雜物等。在參考文獄CiO)中，給出了簡(jiǎn)單形狀的缺陷Kf的方程式，以及根據(jù)確定復(fù)雜形伏的現(xiàn)實(shí)缺陷等效(當(dāng)量)尺寸的準(zhǔn)薦作祛。一種簡(jiǎn)化作扶是按照兩種形式的缺陷(長(zhǎng)的裂紋和呈圓盤形的缺陷)的觀測(cè)結(jié)果，來(lái)評(píng)價(jià)破斷的危險(xiǎn)性。長(zhǎng)裂紋缺陷是最危險(xiǎn)的，而呈圓盤形缺陷在簡(jiǎn)單形伏缺陷中的危害性最小。在有高的殘余拉應(yīng)力作用的區(qū)域，即在實(shí)心轉(zhuǎn)子的中心區(qū)域和空心轉(zhuǎn)子中心孔的內(nèi)表面的缺陷是十分值得注意的。當(dāng)存在著長(zhǎng)度大大超過(guò)寬度這樣的裂紋缺陷，并按照所作用的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)公式去察明，則可采用以下公式確定K;值。為了確定內(nèi)部裂紋的寬度之時(shí)的K,可采月下述公式式中:a----應(yīng)力·帕對(duì)于中心孔內(nèi)不深裂紋直徑與本體尺寸相比，裂紋尺寸錢得很小，在進(jìn)行雙軸拉仲時(shí)，凡-2.26c,./牙了(3)對(duì)于直徑為I的圓形內(nèi)部缺陷，和半圓形表面缺陷來(lái)說(shuō)，其Al值比按照公式(2)，公式(3)[10]所計(jì)算的K1值約大].,5倍。當(dāng)a值一定時(shí)，允許的缺陷尺寸與凡藝成反比。因此，圓形缺陷所允許的直徑，比一長(zhǎng)裂紋型映陷所允許的寬度_大2.4倍。為f利用這個(gè)不等式(1)，必須知道斷裂韌性凡c值。32XMIA和25XCI-I3M(DA鋼在淬火成貝茵體和高溫回火后，其Kr:值約為=2{:0兆帕·米’·“〔‘’。3CXH;MM2cbA,3SXHINI20A,34XH.MA等鋼種的K/c值都差不多。這在參考文獻(xiàn):11)巾己列出。眾所周知，回火可使沐火鋼的斷奧韌性得到提高。波爾宗19-夫中央鍋?zhàn)o(hù)透平科學(xué)研究所的研究工作表明:淬火成貝茵體并未經(jīng)過(guò)回火的轉(zhuǎn)子鋼的凡c-80兆帕·米1!2。圖3所示，是按照公式(2)和(3)計(jì)算出來(lái)的允許應(yīng)力與呈長(zhǎng)裂紋形的缺陷尺寸的關(guān)索(如Kfc=80兆怕·米1.12)。圓形缺陷的允許直.徑，比圖3A:所標(biāo)明的數(shù)值要大2.4倍。按照轉(zhuǎn)子制造技術(shù)條件，工件內(nèi)部區(qū)域的缺陷尺寸，可以達(dá)到8毫米。因此，由于轉(zhuǎn)子外表面上有壓縮殘余應(yīng)力的作用，所以不應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生淬火裂紋。轉(zhuǎn)子中心孔內(nèi)壁缺陷的尺寸，通常未經(jīng)予先說(shuō)明。但是。可以認(rèn)為:由子鑊中心孔的結(jié)果，內(nèi)部缺陷暴露到轉(zhuǎn)子中心孔的內(nèi)壁上面。慧視人們按照?qǐng)D3列舉的數(shù)據(jù)材料，來(lái)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子淬火時(shí)產(chǎn)1f:裂紋的危險(xiǎn)性。當(dāng)缺陷尺寸為8毫米時(shí)，其內(nèi)部區(qū)域的允許應(yīng)力U允許為700兆帕。因此，不僅允許大型實(shí)心轉(zhuǎn)子在油中淬火，而且也允許大型實(shí)心轉(zhuǎn)子在水中淬火。(參看圖2。轉(zhuǎn)子順利地在水中淬火[-2,13]以及經(jīng)水到油中的淬火，證實(shí)了這一結(jié)論。缺陷尺寸為8毫米時(shí)，轉(zhuǎn)子軸向中心孔附近的拉應(yīng)力不得超過(guò)200兆帕(圖3的曲線2)。在急劇冷卻時(shí)，在軸向中心孔的表面上形成馬氏體，其斷裂韌性隨著時(shí)間的增延而降低1.:。因此，對(duì)于空心轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō).A好是采用能夠消除產(chǎn)生轉(zhuǎn)向中心孔表面上的拉伸殘余應(yīng)力可能性，1f=能產(chǎn)生降低與從兩面激冷相比的在巾心孔附近的拉應(yīng)力水平的冷卻方法。采用不Iii1的冷卻強(qiáng)度[2+i]和從轉(zhuǎn)子外表面和軸向中心孔同時(shí)開(kāi)始冷卻r2」對(duì)于軸的淬火向中心孔的開(kāi)始時(shí)刻的即可滿足這種要求。同時(shí)，最好是從外表面進(jìn)行冷卻的遲延開(kāi)始時(shí)刻淬火。按照物理性能一與機(jī)械性能來(lái)看，各種轉(zhuǎn)子鋼的區(qū)別是很小的。因此，所得出的結(jié)果不僅儀是適用于26XH3M2cA。但是當(dāng)采用其它鋼種時(shí)，對(duì)估計(jì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生淬火裂紋危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)應(yīng)作一些修正。因?yàn)橥瑫r(shí)轉(zhuǎn)子截面的組織轉(zhuǎn)變特性發(fā)生變化，對(duì)悴火應(yīng)力產(chǎn)生巨大的影響。上面所述的結(jié)果，在某種程度上是屬于理想的情況，也at是說(shuō)，在固定的一段溫度區(qū)間內(nèi)，鋼fT7'}7其全部i$面發(fā)生貝w體轉(zhuǎn)變。在一般情況下，在溫度的座標(biāo)軸線上，貝茵休轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間的位置，是不固定的.它與鋼的化學(xué)成份及淬火時(shí)的冷卻速度是有關(guān)的。此外.在_仁件友面區(qū)，可能發(fā)，l三與馬氏體轉(zhuǎn)變，而在下作內(nèi)部，則可能發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。計(jì)算結(jié)果表l好;在貝茵體轉(zhuǎn)變的起始溫度下，工作心部的溫度為沁。一660℃之間時(shí)utimal(例如，少口,P%?kf鋼所利造的轉(zhuǎn)子夕，最大的拉伸殘余應(yīng)力約為wio兆帕。在這種情況下，有缺陷s毫米或比8毫米小i'`J實(shí)心轉(zhuǎn).子，最好不要水淬(請(qǐng)參著圖3)，這時(shí)，最好是將轉(zhuǎn)子進(jìn)行油冷，或經(jīng)水到油冷卻。于灰.轉(zhuǎn)子內(nèi)'if區(qū)域的F""I始缺陷.是接近圓形的缺陷，而不是接近長(zhǎng)條裂紋類M的缺陷。圓形缺陷所允許的應(yīng)力，比圖3_上所允許的應(yīng)力要高1"S倍;當(dāng)缺陷直徑為3毫米時(shí)，0允許可大于ICO{?兆帕。因此.即使是在較高的溫度“『發(fā)生貝丙體轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)子一也可以進(jìn)行水淬。在轉(zhuǎn)子中心部份鋼轉(zhuǎn)變成珠光體，就會(huì)提高產(chǎn)生淬火裂紋的危險(xiǎn)性。當(dāng)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)的直徑小J立。.魷轉(zhuǎn)子的直徑時(shí)，在轉(zhuǎn)子心鄰的拉伸殘余應(yīng)力可達(dá)到15CU兆帕。在這種情況下，如果當(dāng)?shù)丶涌炖鋮s，(例如將油序改為水沐)就能防止珠光沐的產(chǎn)生。同1寸也可采川慢速冷卻.其目的是將珠光體區(qū)域直徑，增大到工件直徑的一半、如果這時(shí)工件約各項(xiàng)使用性能達(dá)到所要求的數(shù)馗l則采用慢冷是可以的。計(jì)算的數(shù)摒證實(shí)了下述結(jié)論:鋼中的馬氏體轉(zhuǎn)變只能嚴(yán)重地影響金屬表面層的壓應(yīng)力水平，但實(shí)際_-對(duì)最大的拉應(yīng)力并無(wú)影響。因此，所進(jìn)行的研究毛作，是試圖了.氣價(jià)在各種不同的淬火方式下，在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生淬火裂紋的危險(xiǎn)性。廣泛采用預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子和其它人-4T件在淬火時(shí)可以按照準(zhǔn)各種鋼約斷裂韌性值這一方法的精確性和可能性，考慮各種鋼的組織伏態(tài)，提高尺寸測(cè)鼠的精確度，提高確定實(shí)際缺陷形狀的準(zhǔn)確性，以及提高工件內(nèi)部應(yīng)力測(cè)定的4確度來(lái)使之得到顯著的改善。今后同樣應(yīng)研究工件截而過(guò)渡處的應(yīng)力。