热处理变形基础知识

热处理变形工件的热处理变形—主要是由于热处理应力造成的。

工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件的自重以及工件在炉中加热和和冷却时的支承或夹持不当等因素也能引起变形。

凡是牵涉到加热和冷却的热处理过程,都可能造成工件变形。

但是,淬火变形对热处理质量的影响最大。

严重的淬火变形往往很难通过最后的精加工加以修正,即使对淬火变形的工件能够进行校正和机加工修整,也会因而增加生产成本。

工件热处理后的不稳定组织和不稳定的应力状态,在常温和零下温度,长时间放置或使用过程中,逐渐发生转变而趋于稳定,也会伴随引起工件的变形,这种变形称为时效变形。

时效变形虽然不大,但是对于精密零件和标准量具也是不允许的。

工件的热处理变形分为尺寸变化(体积变形)和形状畸变两种形式。

尺寸变形归因可相变前后比体积差引起工件的体积改变,形状畸变则是由于热处理过程中,在各种复杂应力综合作用下,不均匀的塑性变形造成的。

这两种形式的变形很少单独存在,但是对具体工件和热处理工艺,可能以一种形式的变形为主。

1>工件热处理的尺寸变化不同的组织具有不同的体积。

常见组织的比体积表如下;组织wc(％) 室温下的比体积/ (cm3/g)奥氏体0—2 0.1212+0.0033(C％)马氏体0---2 0.1271+0.0025(C％)铁素体0---0.02 0.1271渗碳体 6.7+-0.2 0.130+-0.001∈-碳化物8.5+-0.7 0.140+-0.002石墨100 0.451铁素体+渗碳体0---2 0.1271+0.0005(C％)低碳马氏体+∈-碳化物0---2 0.1277+0.0015(C％-0.25)铁素体+∈-碳化物0---2 0.1271+0.0015(C％)工件在热处理加热和冷却过程中,由于相变引起的体积差造成的体积变形。

碳钢组织转变引起的尺寸变化组织转变体积变化(％) 尺寸变化(％)球状珠光体->奥氏体- 4.64+2.21(wc) - 0.015+0.0074(wc)奥氏体->马氏体 4.64 – 0.53 (wc) - 0.0155+0.0018(wc)球状珠光体->马氏体 1.68 (wc) 0.0056(wc％)奥氏体->下贝氏体 4.64 – 1.43 (wc) 0.0156 – 0.0048(wc)球状珠光体->下贝氏体0.78 (wc) 0.0026(wc)奥氏体->铁素体->渗碳体 4.64 – 2.21(wc) 0.0155 – 0.0074(wc)球状珠光体->铁素体->渗碳体0 02>工件热处理的形状畸变工件热处理的形状畸变有多种原因。

加热过程中残余应力的释放,淬火时产生的热应力、组织应力以及工件自重都会使工件发生不均匀的塑性变形而造成形状畸变。

工件细长，炉底不平，工件在炉中呈搭桥状态放置时,当加热至奥氏体化温度下保温过程中,常因自重产生蠕变畸变,这种畸变与热处理应力无关。

工件在热处理前由于各种原因可能存在内应力,例如,细长零件经过校直,大进给量切削加工,以及预先热处理操作不当等因素,都会在工件中形成残余应力。

热处理加热过程中,由于钢的屈服强度随温度的升高而降低,当工件中某些部位的残余应力达到其屈服时,就会引起工件的不均匀塑性变形而造成形状畸变和残余应力的松弛。

加热时产生的热应力,受钢的化学成分、加热的速度、工件的大小形形状的影响很大。

导热性差的高合金钢,加热速度过快,工件尺寸大、形状复杂、各部分厚薄不均匀,会致使工件各部分的热膨胀程度不同而形成很大的热应力,导致工件不均匀塑性变形,从而产生形状畸变。

与工件加热时情况相比,工件冷却时产生的热应力和组织应力对工件的变形影响更大。

热应力引起的变形主要发生在热应力产生的初期,这是因为冷却初期工件内部仍处于高温状态,塑性好,在瞬时热应力作用下,心部因受多向压缩易发生屈服而产生塑性变形。

冷却后期,随工件温度的降低，钢的屈服强度升高,相对来说塑性变形变得更加困难,冷却至室温后,冷却初期的不均匀塑性变形得以保持下来造成工件的变形。

3>热处理变形的一般规律淬火变形的趋势Ms以上时,变形主要由热应力所引起高度大于直径的圆柱体状工件---高度缩短,直径变粗,最终造成腰鼓状变形。

直径大于厚度的圆盘件---厚度增大,直径缩小。

壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔柱体---内孔收缩,外径增大,高度缩短(壁厚显腰鼓状)。

壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔扁体---内孔收缩,外径增大(壁厚显腰鼓状)。

正方体---趋向球形。

Ms以下时,变形主要由瞬时组织应力所引起工件变形的趋势是沿最大尺寸方向伸长,沿最小尺寸方向收缩,表面内凹,棱角变尖。

对于长度大于直径的圆柱体工件,具体表现为心部被拉长,直径变细,长度增加。

壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔柱体---内孔胀大,外径收缩,高度增加(壁厚反腰鼓状)。

壁厚小于高度的带圆孔的圆(方)孔扁体---内孔增大,外径收缩(壁厚显反腰鼓状)。

正方体---平面内凹,棱角突出。

实际生产中,淬火冷却时既有瞬时热应力,也有瞬时组织应力,由于它们引起的变形相反，工件最终的变形,是两种应力引起的变形叠加。

体积效应作用变形及尺寸变化轴类---d + , L + 或d - , L - ;扁平体---d + , L + 或d - , L - ;圆(方)孔柱体---d + , D + , L + 或 d - , D - , L - ;圆(方)孔扁体---d + , D + 或 d - , D - ;正方体--- d + , L + 或d - , L - ;4>影响热处理变形的因素工件在热处理过程中体积和形状的改变,是由于钢中组织转变时的比体积变化所引起的体积膨胀,以及热处理应力引起的塑性变形所造成。

因此,热处理应力愈大,相变愈不均匀,则变形愈大,反之则小。

为减小变形,必须力求减小淬火应力和提高钢的屈服强度。

化学成分对热处理变形的影响钢的化学成分通过影响钢的屈服强度、Ms点、淬透性、组织的比体积和残余奥氏体量等影响工件的热处理变形。

钢的碳含量直接影响热处理后所获得的各种组织的比体积(室温下不同组织的比体积与碳含量间的关系---图略, 碳钢的碳含量与Ms点和残余奥氏体之间的关系---图略)随着钢的碳含量的增加,马氏体的体积增大,屈服强度升高。

淬透性和马氏体比体积的增大,增大了淬火组织应力和热处理变形;而残余奥氏体量的增多和屈服强度的升高,减小了比体积变化,导致组织应力下降和热处理变形的减小。

碳含量对工件热处理变形的影响是上述矛盾因素综合作用的结果。

碳含量对淬火时体积变化量的影响(试样尺寸:￠25*100)钢号淬火温度淬火介质高度变化％直径中间处两端处08 940 14C水- 0.06 + 0.07 - 0.1455 820 14C水+0.38 - 0.02 + 0.21T10 780 14C水- 0.05 + 0.18 + 0.1208钢试样的淬火变形趋势是长度缩短,试样中部直径增大,端部直径缩小,呈腰鼓状,这是因为虽然低碳钢Ms点高,发生马氏体相变时,钢的屈服强度低,塑性好,易变形,但是由于马氏体比体积小,组织应力不大,不会引起大的塑性变形,相反热应力引起的变形量相对较大,最终表现为热应力型变形。

55钢试样,组织应力成为引起变形的主导因素,结果试样的变形为中部直径缩小,端部直径增大,长度增大。

当碳的质量分数进一步增加到0.8％以上时,由于Ms点的降低,残余奥氏体量的增加,其变形又呈长度缩短,直径增大的热应力型变形。

并且由于高碳钢屈服强度的升高,其变形量要小于中碳钢。

对碳素钢来说,在大多数情况下,以T7A钢的变形量为最小。

当碳的质量分数大于0.7％时,多趋向于缩小;但碳的质量分数小于0.7％时,内径、外径都趋向于膨胀。

一般来说,在完全淬透的情况下,由于碳素钢的Ms点高于合金钢的Ms点,其马氏体相变在较高温度下开始。

由于钢在较高温度下具有较好的塑性,加之碳素钢本身屈服强度相对较低,因而带有内孔(或型腔)类的碳素钢件,变形较大,内孔(或型腔)趋于胀大。

合金钢由于强度较高,Ms点较低,残余奥氏体量较多,故淬火变形较小,并主要表现为热应力型的变形,其钢件内孔(或型腔)趋于缩小。

因此,在与中碳钢同样条件下淬火时,高碳钢和高合金钢工件往往以内孔收缩为主。

合金元素对工件热处理变形的影响主要反映在对钢的Ms点和淬透性的影响上。

大多数合金元素,例如,锰、铬、硅、镍、钼、硼等，使钢的Ms点下降,残余奥氏体量增多,减小了钢淬火时的比体积变化和组织应力,因此,减小了工件的淬火变形。

合金元素显著提高钢的淬透性,从而增大了钢的体积变形和组织应力,导致工件热处理变形倾向的增大。

此外,由于合金元素提高钢的淬透性,使临界淬火冷却速度降低,实际生产中,可以采用缓和的淬火介质淬火,从而降低了热应力,减小了工件的热处理变形。

硅对Ms点的影响不大,只对试样变形起缩小作用;钨和钒对淬透性和Ms点影响也不大,对工件热处理变形影响较小。

故工业上所谓微变形钢,均含有较多量的硅、钨、钒等合金元素。

原始组织和应力状态对热处理变形的影响工件淬火前的原始组织,例如,碳化物的形态、大小、数量及分布,合金元素的偏析,锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。

球状珠光体比片状珠光体比体积大,强度高,所以经过预先球化处理的工件淬火变形相对要小。

对于一些高碳合金工具钢,例如,9Mn2V、CrWMn和GCr15钢的球化等级对其热处理变形开裂和淬火后变形的校正有很大影响,通常以2.5-5级球化组织为宜。

调质处理不仅使工件变形量的绝对值减小,并使工件的淬火变形更有规律,从而有利于对变形的控制。

条状碳化物分布对工件的热处理变形有很大影响。

淬火后平行于碳化物条带方向工件膨胀,与碳化物条带相垂直的方向则收缩,碳化物颗检愈粗大,条带方向的膨胀愈大。

对于Cr12类型钢和高速钢等莱氏体钢来说,碳化物的形态和分布对淬火变形的影响尤为显著。

由于碳化物的热膨胀系数小,约为基体的70％,因而在加热时,沿条带状分布的碳化物方向上,膨胀较小的碳化物抑制了基体的伸长,而冷却时,收缩较小的碳化物又会阻碍基体的收缩。

由于奥氏体化加热温度较缓慢,碳化物对基本膨胀的抑制作用较弱,故条带状分布的碳化物对工件淬火加热变形的方向性影响较小;但在淬火冷却时,由于冷却速度快,碳化物对基体收缩的抑制作用增大,所以淬火后沿碳化物条带方向呈现较大的伸长。

经过轧制和锻造的材料,沿不同的纤维方向表现出不同的热处理变形行为。

纤维方向不明显的正火态试样沿纵、横方向的尺寸变化差别较小;而退火态试样,有明显带状组织存在时,沿纤维方向和垂直于纤维方向的尺寸变化则显著不同。