环形锻件残余应力产生机理、危害与消减控制技术

大型厚壁环形锻件生产全流程当中，残余应力是无法回避的技术难题。残余应力是外部载荷卸载之后，依旧留存锻件内部自平衡内应力，来源于锻造塑性变形不均匀、锻后冷却差异、热处理组织转变不同步。残余应力看不见摸不着，却会诱发精加工变形、成品存放时效形变、服役疲劳开裂、应力腐蚀开裂等一系列故障，很多环形锻件加工、使用阶段出现的质量问题，根源都来自残余应力管控不到位。深入理解残余应力形成机理，识别残余应力带来各类危害，掌握对应的消减控制技术，是环形锻件制造过程当中的核心技术课题。

环形锻件残余应力分为热应力与组织应力两大类别。热应力产生原因是锻件不同部位冷却速度不一致，温度收缩不同步。锻造成型之后高温毛坯，暴露空气当中冷却，锻件表层散热快温度快速下降，芯部散热慢温度高；表层先行收缩，芯部温度高收缩滞后，内外相互约束，从而产生热应力。大型厚壁环形锻件壁厚尺寸大，内外冷却梯度差距十分明显，锻件毛坯阶段就积累较高水平热应力。

组织应力主要来自热处理淬火工序。锻件投入淬火介质，表层快速冷却，钢材发生固态组织转变，产生体积变化；锻件芯部冷却速度慢，组织转变时间滞后。锻件表层和芯部组织转变不同步，体积膨胀收缩节奏不一致，由此产生巨大组织应力。热应力和组织应力会相互叠加，合金钢尤其是高合金材质环形锻件，淬火之后残余应力峰值会处于很高水平。除此之外，芯轴扩锻成型工序，环形锻件内壁、外壁变形量不一致，塑性变形不均匀，也会带来形变残余应力，叠加到锻件整体应力场当中。

残余应力带来的实际危害体现在四个方面。第一，加工形变，粗加工完成尺寸全部合格，精加工之后，锻件出现圆度超差、端面翘曲、同轴度不合格。机加工切削去除部分材料，原本内部自平衡残余应力体系被打破，应力重新分布，引发锻件形变，造成尺寸超差报废。第二，时效变形，锻件精加工全部完工，检验尺寸全部达标，仓储存放一段时间，或者运输之后，锻件缓慢发生变形，客户装配现场才发现形位公差超标，无法装配使用，造成项目工期延误，经济损失。第三，加速疲劳失效，锻件内部残余拉应力，会和设备工作载荷叠加，零部件实际承受应力水平进一步升高，加快疲劳裂纹萌生扩展，降低环形锻件服役寿命。第四，诱发应力腐蚀开裂，如果设备服役在腐蚀介质工况，残余拉应力和腐蚀介质协同作用，会催生应力腐蚀裂纹，在没有明显外力过载情况下，锻件发生开裂故障，压力容器、化工设备对此类风险尤为忌惮。

残余应力不能完全消除，工业生产目标是把残余应力降低到安全水平，同时让应力分布更加均匀。主流消减手段分为锻造环节控制、锻后冷却管控、热处理去应力工艺、加工工艺优化几个维度。

锻造环节源头减少应力积累。合理设计锻造工艺，镦粗、扩锻工序分配每道次压下量，避免单次变形量过大，造成局部剧烈不均匀塑性变形；控制锻造终锻温度，不要过低温度强压；成型之后毛坯不要直接露天急速空冷，大型厚壁锻件采用堆冷、坑冷，减缓锻件冷却速度，缩小锻件内外温差，降低锻造热应力积累。

热处理是调控残余应力最核心手段。第一，优化淬火工艺，针对厚壁环形锻件，合理选择淬火介质，控制淬火冷却烈度，不要盲目追求过快冷却速度，在满足力学性能前提下，减少淬火带来巨大组织应力；使用专用工装支撑，减少锻件自重造成形变。第二，去应力退火也就是稳定化退火，是环形锻件普遍使用的消应力手段。将锻件加热至钢材相变温度以下，保温足够长时间，金属原子具备迁移能力，内部应力逐步松弛，之后随炉缓慢匀速降温。保温时间需要结合锻件壁厚确定，壁厚越大，保温时间相应加长，保证锻件芯部充分完成应力松弛。第三，调质之后增加回火保温时间，也可以一定程度降低残余应力水平；针对高合金钢，必要时安排多次去应力退火，进一步压低应力水平。

机加工工艺优化也可以缓解残余应力带来的形变风险。粗加工阶段切除大部分余量之后，不要立刻开展精加工，预留去应力工序，粗加工完成之后执行一次去应力退火，释放粗加工切削诱发的附加应力，再开展精加工。精加工切削量合理分配，避免单次吃刀量过大，产生新的加工应力。

残余应力检测手段，生产现场可以采用盲孔法测试锻件表层残余应力；实验室可以使用 X 射线衍射法；对于大型锻件，很难直接测量芯部残余应力，行业更多依靠工艺管控，配套加工验证，间接评判应力控制效果。不能简单依靠成品外观，判断残余应力是否合格，很多锻件外观完好，内部依旧留存很高残余应力。

在实际生产当中，经常出现一种误区，只关注锻件硬度、拉伸冲击等力学指标，忽视残余应力管控。力学性能达标，不代表残余应力处于安全区间，很多精加工变形、后期时效变形案例，力学性能全部合格，但是残余应力超标。厚壁环形锻件、合金钢锻件、压力容器、风电轴承环这类关键构件，必须把残余应力控制纳入工艺设计考虑范围。

  随着装备制造升级，下游客户对于环形锻件尺寸稳定性要求越来越高，残余应力控制能力已经成为锻造企业核心技术能力之一。从锻造冷却、热处理、机械加工全流程协同优化，把残余应力控制在合理范围，减少形变失效风险，保障环形锻件长期服役尺寸稳定性。

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