熱處理變形8問

一、變形的原因

　　鋼的變形主要原因是鋼中存在內(nèi)應力或者外部施加的應力。內(nèi)應力是因溫度分布不均勻或者相變所致，殘余應力也是原因之一。外應力引起的變形主要是由于工件自重而造成的“塌陷”，在特殊情況下也應考慮碰撞被加熱的工件，或者夾持工具夾持所引起的凹陷等。變形包括彈性變形和塑性變形兩種。尺寸變化主要是基于組織轉(zhuǎn)變，故表現(xiàn)出同樣的膨脹和收縮，但當工件上有孔穴或者復雜形狀工件，則將導致附加的變形。如果淬火形成大量馬氏體則發(fā)生膨脹，如果產(chǎn)生大量殘余奧氏體則相應的要收縮。此外，回火時一般發(fā)生收縮，而出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象的合金鋼則發(fā)生膨脹，如果進行深冷處理，則由于殘余奧氏體的馬氏體化而進一步膨脹，這些組織的比容都隨著含碳量的增加而增大，故含碳量增加也使尺寸變化量增大。

二、淬火變形的主要發(fā)生時段1加熱過程：工件在加熱過程中，由于內(nèi)應力逐漸釋放而產(chǎn)生變形。2保溫過程：以自重塌陷變形為主，即塌陷彎曲。3冷卻過程：由于不均勻冷卻和組織轉(zhuǎn)變而至變形。

三、加熱與變形

　　當加熱大型工件時，存在殘余應力或者加熱不均勻，均可產(chǎn)生變形。殘余應力主要來源于加工過程。當存在這些應力時，由于隨著溫度的升高，鋼的屈服強度逐漸下降，即使加熱很均勻，很輕微的應力也會導致變形。

　　一般，工件的外緣部位殘余應力較高，當溫度的上升從外部開始進行時，外緣部位變形較大，殘余應力引起的變形包括彈性變形和塑性變形兩種。

　　加熱時產(chǎn)生的熱應力和想變應力都是導致變形的原因。加熱速度越快、工件尺寸越大、截面變化越大，則加熱變形越大。熱應力取決于溫度的不均勻分布程度和溫度梯度，它們都是導致熱膨脹發(fā)生差異的原因。如果熱應力高于材料的高溫屈服點，則引起塑性變形，這種塑性變形就表現(xiàn)為“變形”。

　　相變應力主要源于相變的不等時性，即材料一部分發(fā)生相變，而其它部分還未發(fā)生相變時產(chǎn)生的。加熱時材料的組織轉(zhuǎn)變成奧氏體發(fā)生體積收縮時可出現(xiàn)塑性變形。如果材料的各部分同時發(fā)生相同的組織轉(zhuǎn)變，則不產(chǎn)生應力。為此，緩慢加熱可以適當降低加熱變形，最好采用預熱。

　　此外，由于加熱中因自重而出現(xiàn)“塌陷”變形的情況非常多，加熱溫度越高，加熱時間越長，“塌陷”現(xiàn)象越嚴重。

四、冷卻與變形

　　冷卻不均時將產(chǎn)生熱應力導致變形發(fā)生。因工件的外緣和內(nèi)部存在冷卻速度差異，該熱應力是不可避免的，淬火情況下，熱應力與組織應力疊加，變形更為復雜。加之組織的不均勻、脫碳等，還會導致相變點出現(xiàn)差異，相變的膨脹量也有所不同。

　　總之，“變形”是相變應力和熱應力共同所致，但并非全部應力都消耗在變形上，而是一部分作為殘余應力存在于工件中，這種應力就是導致時效變形和時效裂紋的原因。

因冷卻而導致的變形表現(xiàn)為以下幾種形式：1件急冷初期，急冷的一側(cè)凹陷，然后轉(zhuǎn)為凸起，結(jié)果快冷的一面凸起，這種情況屬于熱應力引起的變形大于相變引起的變形。2由熱應力所引起的變形是鋼料趨于球形化（見圖1），而由相變應力所引起的變形則使之趨于繞線軸狀（見圖2）。因此淬火冷卻所致的變形表現(xiàn)為兩者的結(jié)合（圖3），按照淬火方式的不同，表現(xiàn)出不同的變形如圖4所示。3僅對內(nèi)孔部分淬火時，內(nèi)孔收縮。將整個環(huán)形工件加熱整體淬火時，其外徑總是增大，而內(nèi)徑則根據(jù)尺寸的不同時漲時縮，一般內(nèi)徑大時，內(nèi)孔漲大，內(nèi)徑小時，內(nèi)孔收縮。
五、冷處理與變形

　　冷處理促進馬氏體轉(zhuǎn)變，溫度較低，產(chǎn)生的變形比淬火冷卻要小，但此時產(chǎn)生的應力較大，由于殘余應力、相變應力和熱應力等的疊加容易導致開裂。

六、回火與變形

　　工件在回火過程中由于內(nèi)應力的均勻化、減小甚至消失，加上組織發(fā)生變化，變形趨于減小，但同時，一旦出現(xiàn)變形，也是很難矯正的。為了矯正這種變形，多采用加壓回火或噴丸硬化等方法。

七、重復淬火與變形

　　通常情況下，一次淬火后的工件未經(jīng)過中間退火而進行重復淬火，將增大變形。圖5為重復淬火引起的變形，經(jīng)過重復淬火，其變形累加而趨于球狀，容易產(chǎn)生龜裂，但形狀相對穩(wěn)定了，不再容易產(chǎn)生變形了，因此重復淬火前應增加中間退火，重復淬火次數(shù)應小于等于2次（不含首次淬火）。

八、殘余應力與變形

加熱過程中，在450℃左右，鋼由彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄泽w，因此很容易呈上升塑性變形。同時，殘余應力在約高于此溫度時也將因再結(jié)晶而消失。因此，快速加熱時，由于工件內(nèi)外部存在溫度差，外部達到450℃變成了塑性區(qū)，受而內(nèi)部溫度較低處存在殘余應力作用而發(fā)生變形，冷卻后，該區(qū)域就是出現(xiàn)變形的地方。由于實際生產(chǎn)過程中，很難實現(xiàn)均勻、緩慢加熱，淬火前進行消除應力退火是非常重要的，除了通過加熱消除應力外，對于大型零件采用振動消除應力也是有效的。