起重機車輪鍛件在冷卻時的應(yīng)力有哪幾種？
起重機車輪鍛件冷卻是鍛造生產(chǎn)中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。起重機車輪鍛件的冷卻是指起重機車輪鍛件從終鍛溫度出模冷卻到室溫。如果冷卻方法選擇不當(dāng)，起重機車輪鍛件可能因產(chǎn)生裂紋或白點而報廢，也可能延長生產(chǎn)周期而影響生產(chǎn)率。
坯料在加過程中會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同樣，起重機車輪鍛件在冷卻過程中也會引起內(nèi)應(yīng)力。由于起重機車輪鍛件冷卻后期溫度較低而呈彈性狀態(tài)，因此冷卻內(nèi)應(yīng)力的危險性比加熱內(nèi)應(yīng)力更大。內(nèi)應(yīng)力有溫度，組織應(yīng)力和鍛造變形不均勻引起的殘余應(yīng)力。
溫度應(yīng)力：起重機車輪鍛件在冷卻初期，表層冷卻塊，體積收縮較大，心部冷卻慢，體積收縮較小。由于表層的收縮受到心部的阻礙，結(jié)果在表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力。到了冷卻后期，起重機車輪鍛件表面溫度已近室溫，基本上不再收縮，這時表層反而阻礙心部繼續(xù)收縮，導(dǎo)致溫度應(yīng)力符號發(fā)生改變。
如起重機車輪鍛件材料為抗力大，塑性低的硬鋼，在冷卻初期表層產(chǎn)生的拉應(yīng)力不能得到松弛，就是在冷卻后期，盡管心部體積收縮對表層產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，也只能使表層初期產(chǎn)生的拉應(yīng)力有所降低，而不會使溫度應(yīng)力符號發(fā)生改變，表層仍為拉應(yīng)力，心部仍為壓應(yīng)力。
因此，軟鋼起重機車輪鍛件冷卻時可能出現(xiàn)內(nèi)裂，硬鋼起重機車輪鍛件冷卻時則易產(chǎn)生外裂。
冷卻溫度應(yīng)力和加熱溫度應(yīng)力一樣，是三向應(yīng)力狀態(tài)，最大也是軸向應(yīng)力。
組織應(yīng)力：起重機車輪鍛件在冷卻過程中若有相變發(fā)生，由于相變前后組織的比容不同，而且轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)完成，故在相與相之間產(chǎn)生組織應(yīng)力。當(dāng)起重機車輪鍛件表里不一致時，這種組織應(yīng)力更為明顯。
如起重機車輪鍛件在冷卻過程中有馬氏體轉(zhuǎn)變時，隨著鍛件溫度降低，表層先進行馬氏體轉(zhuǎn)變，由于馬氏體的比容大于奧氏體的比容，這時所引起的組織應(yīng)力為，表層是壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。但是這時心部溫度比較高，處于塑性良好的奧氏體狀態(tài)，通過局部塑性變形，上述應(yīng)力很快得到松弛。隨后起重機車輪鍛件繼續(xù)冷卻，心部也發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這時產(chǎn)生的組織應(yīng)力，心部是壓應(yīng)力，表層為拉應(yīng)力。應(yīng)力不斷增大，直到馬氏體的轉(zhuǎn)變結(jié)束為止。由于鋼中所有相的比容均比奧氏體大，因此當(dāng)鍛件冷卻發(fā)生其它組織轉(zhuǎn)變時，所產(chǎn)生的組織應(yīng)力同樣具有上述規(guī)律。
冷卻時產(chǎn)生的組織應(yīng)力也和加熱時產(chǎn)生的組織應(yīng)力一樣是三向應(yīng)力，且其中切向應(yīng)力最大，這是引起表面縱向裂紋的主要原因。
殘余應(yīng)力：起重機車輪鍛件在鍛壓成形過程中，由于變形不均所引起的附加應(yīng)力，如未能及時再結(jié)晶軟化將其消除，鍛后便成為殘余應(yīng)力保留下來。殘余應(yīng)力在起重機車輪內(nèi)部的分布，根據(jù)變形不均的情況而不同，可能是表層為拉應(yīng)力而心部為壓應(yīng)力，或者與此相反。
可以看出，起重機車輪鍛件在冷卻過程中，存在上述三種內(nèi)應(yīng)力，總的內(nèi)應(yīng)力為三者疊加。當(dāng)疊加的應(yīng)力值超過材料的強度極限時，便會在起重機車輪鍛件相應(yīng)部位引起裂紋，冷卻裂紋常常是在溫度較低時和塑性較差的材料中發(fā)生。如果疊加的內(nèi)應(yīng)力沒有造成破壞，冷卻終了便會以殘余應(yīng)力形式保留下來，給后續(xù)熱處理增加不利因素。
因此，了解起重機車輪鍛件冷卻過程的特點及其缺陷形成的原因，對于選擇冷卻方法，制訂冷卻規(guī)范是非常必要的。