热处理变形

1第3章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，都可能造成工件的变形。但是，淬火变形对热处理质量的影响最大。因为淬火过程中，组织的比体积变化大、加热温度高，冷却速度快，故淬火变形最为严重。此外，淬火工艺通常安排在工件生产流程的后期，严重的淬火变形往往很难通过最后的精加工加以修正，结果使工件因形状尺寸超差而报废，造成先前各道工序的人力物力的损失；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，实际生产中必须予以防止。工件的热处理变形是热处理常见的主要缺陷之一。如何减小或控制热处理变形是热处理工作者的一项重要任务。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。造成这两种形式的变形原因有所不同，尺寸变形归因于相变前后比体积差引起的工件的体积改变，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，但是对某一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。常见组织的比体积如表3-1所示。表3-1钢中各组织的比体积组织wc(％)室温下的比体积／(cm3。g-1)奥氏体马氏体铁索体渗碳体ε-碳化物石墨铁素体+渗碳体低碳马氏体+ε-碳化物铁素体+ε-碳化物0～20～20～0．026．7±0．28.5±0.71000～20～20～20.1212+0.0033(C％)0．1271+0．0025(C％)0．127l0．130土0．0010．140±0．0020.4510.1271+0.0005(C%)0．1277+0．0015(C％-0．25)0．127l+0．0015(C％)2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，可以用膨胀曲线说明，如图3一l所示。对于原始组织为珠光体的钢样，在A1温度以下加热，随着温度的升高钢样受热膨胀，在A1和A3温度之间，钢发生相变，由珠光体转变为奥氏体，因而发生收缩。温度高于A3全部转变为奥氏体后，随温度升高，钢样继续膨胀，但其膨胀速率和相变前不同，这是由于相变前后组织不同，热膨胀系数不同的缘故。冷却时情况则反之。即钢样随温度的降低而收缩，当发生了γ一α转变时，由于比体积增大而膨胀，相变结束后，随着温度降低而再度收缩。若将钢样加热到奥氏体化后．快速冷却淬火得到马氏体时，由于马氏体比体积大于珠光体，则淬火后钢样的体积或尺寸将会增大，如图3-1a所示；若缓慢冷却得到马氏体和贝氏体，将发生较小的尺寸变化或体积变形(见图3-1b)；若冷却后的组织与加热前的原始组织相同，钢样不发生体积变形(见图3-1c)；把淬火马氏体重新加热至马氏体分解温度，钢样则产生收缩，如图3-1d所示。工件在热处理过程中的体积变形，可以根据各相的比体积和各相的相对量进行估算。对于碳的质量分数为1.05%的碳素工具钢，经790℃加热水淬，得到马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物的混合组织时，产生的体积变形为0100(4.622.11)100100cAAMw△0.06710.01ScMcww式中φA、φC—残余奥氏体和碳化物的体积分数；wM—马氏体(残余奥氏体)的碳的质量分数；wS—钢的平均碳的质量分数。假设φA=10％，φC=2.5%，代入上式，则得到体积变化为+1.07％。若工件在每个方向上都以相同的比例变形，则尺寸变化为+0.35％。3碳钢组织转变时产生的体积变形或尺寸变化见表3-2。表中碳含量系指基体组织中的实际碳的质量百分数。图3-1钢样在加热和冷却时的膨胀曲线a)快速冷却b)中速冷却c)慢速冷却d)回火慢冷淬火成马氏体的钢在回火过程中，发生复杂的组织变化，表3-2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(％)4球状珠光体一奥氏体奥氏体一马氏体球状珠光体一马氏体奥氏体一下贝氏体球状珠光体一下贝氏体奥氏体一铁素体+渗碳体球状珠光体一铁索体+渗碳体—4.64+2.21（Wc）4.64—0.53（Wc）1.68（Wc）4.64—1.43（Wc）0.78（Wc）4.64—2.21（Wc）0—0.0155+0.0074（Wc）0.0155+0.0018（Wc）0.0056（Wc）0.0156—0.0048（Wc）0.0026（Wc）0.0155—0.0074（Wc）0因而其体积变形随回火温度和时间而异。碳钢在l00～200℃温区内回火，马氏体分解析出ε碳化物或η碳化物等中间碳化物，体积发生收缩；在200～300℃温区内回火，中、高碳钢的残余奥氏体发生分解，形成碳化物和铁素体，导致体积膨胀；回火温度高于300℃，中间碳化物逐渐被渗碳体所取代，体积再度缩小。回火温度继续升高，渗碳体发生粗化和球化，在400℃左右，铁素体开始发生回复和再结晶，其体积不再发生变化。图3-2为碳钢的回火转变及尺寸变化示意图。碳钢的上述回火转变温度及尺寸变化随钢的碳含量和加入合金元素而改变。2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强度时，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、工件的大小和形状的影响很大。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5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。与工件加热时的情况相比，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3．1淬火变形的趋势高度大于直径的圆柱体状工件淬火冷却时，在马氏体点Ms以上时，变形主要由热应力所引起，随冷却时间的不同，其变形过程如图3-3所示。г1表示冷却刚开始，心表温差尚小，形成的瞬时热应力尚未达到钢在该温度下的屈服强度。г2表示随着冷却的继续进行，心表温差的增大，瞬时热应力伸不断增大，由于表面温度比心部温度低，表面材料的屈服强度比心部高，当表面瞬时拉伸热应力尚未达到材料的屈服强度时，心部的瞬时压缩热应力已经达到材料的屈服点使心部开始发生压缩塑性变形。г3表示随着热应力的增大，心部的塑性变形量也随之增大。г4表示冷却后期，塑性变形结束，残余热应力形成。由于心部在瞬时热应力作用下，产生了压缩变形，结果使得圆柱体高度缩短，直径变粗，由于圆柱体中部比两端冷却慢，其心部塑性更好，压缩变形更大，最终造成腰鼓状变形。直径大于厚度的圆盘件，则厚度增大，直径缩小。用同样的分析方法可以说明，在Ms点以下，由于瞬时组织应力的作用，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。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的叠加。带有孔或型腔的工件的变形情况要复杂些。对于壁厚小于高度的带圆孔的工件，分析其淬火变形规律时，可以设想把工件沿纵向剖开分解成若干个单元体，每个单元体可近似地看成一个小圆柱体，在瞬时热应力作用下，每个小单元体都发生高度减小，直径增大的变形。其结果是由这些小单元体组成的孔型工件，必然是内孔收缩，外径增大。用同样的方法可以说明在瞬时组织应力作用下，工件内孔胀大，外径收缩。一些简单工件的变形趋势如表3-3所示。把工件沿纵向剖开分解成若干个单元体，每个单元体可近似地看成一个小圆柱体，在瞬时热应力作用下，每个小单元体都发生高度减小，直径增大的变形。其结果是由这些小单元体组成的孔型工件，必然是内孔收缩，外径增大。用同样的方法可以说明在瞬时组织应力作用下，6工件内孔胀大，外径收缩。一些简单工件的变形趋势如表3-3所示。3．2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。显然，凡是影响钢的屈服强度和热处理内应力的因素都将影响工件的热处理变形。这些因素包括钢的化学成分、组织结构、热处理工艺参数、冷却的激烈程度和方式、工件热处理前的应力状态以及工件的形状尺寸等。3.2.l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。图3-4为室温下不同组织的比体积与碳含量间的关系。图3-5为碳钢的碳含量与Ms点和残余奥氏体量之问的关系。随着钢的碳含量的增加，马氏体的体积增大，Ms点降低，残余奥氏体量增多。淬透性增大，屈服强度升高。淬透7性和马氏体比体积的增大，增大了淬火的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，导图3-4不同组织的比体积与碳含量的关糸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O．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8径、外径都趋向于膨胀。表3-4碳含量对淬火时体积变化量的影响(试样尺寸：Φ25mm×100mm)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。合金元素提高了钢的屈服强度，也有利于减小热处理变形。但是，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。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。在常用的合金元素中，硅对Ms点的影响不大，只对试