钢的金属加热温度及热应力的研究

钢在加热过程中，由于金属本身的热阻，不可避免地存在内外温度差，表面温度总比中心温度升高的快，这时表面的膨胀就要大于中心的膨胀，这样表面受压应力而中心受张应力，于是在钢的内部产生了温度应力，或称热应力。热应力的大小取决于温度梯度的大小，加热速度越快，内外温差越大，温度梯度越大，热应力就越大。如果这种热应力超过了钢的破裂强度极限，钢的内部就会产生裂纹，所以加热速度要限制在应力所允许的范围之内。

     但是，钢的应力只在一定的温度范围内才是危险的。多数钢在工作550℃以下处于弹性状态，塑性比较低。这时如果加热速度太快，温度应力超过了钢的强度极限，就会出现裂纹。温度超过了这个温度范围，钢就进入了塑性状态。对低碳钢可能更低的温度就进入塑性范围。这时如果产生较大的温度差，将由于塑性变形而使应力消失，不致造成裂纹或折断。因此，温度应力对加热速度的限制，主要是在低温（550℃以下）时。

      除了板坯加热时内外温度差所造成的热应力之外，不锈钢连铸在浇铸板坯的冷却过程中，由于表面冷却得快，中心冷却得慢，也要产生应力，称为残余应力。其次，金属的相变常常伴有体积的变化，如钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体，体积膨胀，也会造成不同部位间的内应力，称为组织应力。这些内应力如果很大，也会使金属产生裂纹或断裂。实践证明，单纯的温度应力，往往还不致引起金属的破坏。大部分破坏是由于铸坯在冷凝过程中产生了残余应力，而后加热时又产生了温度应力，这种温度应力的方向与残余应力的方向是一致的，增大了铸坯的内应力，增加了应力的危险性。所以不能笼统地认为，板坯轧制时出现的裂纹缺陷都是由于加热过程中温度应力所造成的。对于大多数钢种来说，打破了过去单纯依照弹性变形理论来计算允许温度应力的约束，一些低碳钢的厚板坯允许快速加热，只有合金钢（如不锈钢）由于脆性的影响，需要通过试验确定适当的加热温度。因为这些钢种的导热性比较差，而导热系数是随碳与合金元素的增加而下降，同时这类钢在低温时的塑性都比较差，因而把冷的不锈钢板坯直接装入温度很高的炉膛中，进行快速加热时，更可能产生危险的后果。

     其次，板坯断面尺寸的大小也是应考虑的因素，板坯断面大的往往残余应力也大。金属在轧制或锻造后，由热状态冷却下来，在冷却过程中由于表面冷却得快，也会产生热应力。冷却经过临界点时，由于组织中发生相变，体积变化，也可能产生体积应力。温度应力与组织应力超过金属的强度极限时，也会产生高倍或低倍组织裂纹。

     不锈钢板坯在轧制过程中，显微裂纹大都在局部塑性变形处产生，这显然与塑性变形过程中位错的运动有关，从塑性变形中位错运动的分析可以看出，裂纹形成的位错理论和模型，包括位错塞积理论、位错反应理论、裂纹在夹杂物边界形成理论等，这些理论的基本思路是在切应力的作用下，促使位错在滑移面上运动。位错运动中又难免遇到不同的阻碍，造成位错塞积，形成大位错，这种大位错的弹性应力场可能产生大的正应力而促使材料开裂。位错一般都在晶界、相界、孪晶界、杂质或第二相与基体界面处塞积，从而裂纹也常在这些边界处产生。