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热处理的“黑洞”变形量的有效控制!

长期从事热处理一线的童鞋们,都认为,热处理是一门理论联系实践的学科。基础理论是前提,但是大量的实践及应用是关键!要问咱热处理人,什么问题最难有效控制?——相信有很有多人,跟小编一样,一定说的是“变形量”!今天,小编尝试带给大家关于热处理的“魔鬼”——变形量的有效控制!

一、变形的形成原因机理

钢的变形主要原因是钢中存在内应力或者外部施加的应力。内应力是因温度分布不均匀或者相变所致,残余应力也是原因之一。外应力引起的变形主要是由于工件自重而造成的“塌陷”,在特殊情况下也应考虑碰撞被加热的工件,或者夹持工具夹持所引起的凹陷等。

变形包括弹性变形塑性变形两种。尺寸变化主要是基于组织转变,故表现出同样的膨胀和收缩,但当工件上有孔穴或者复杂形状工件,则将导致附加的变形。如果淬火形成大量马氏体则发生膨胀,如果产生大量残余奥氏体则相应的要收缩。此外,回火时一般发生收缩,而出现二次硬化现象的合金钢则发生膨胀,如果进行深冷处理,则由于残余奥氏体的马氏体化而进一步膨胀,这些组织的比容都随着含碳量的增加而增大,故含碳量增加也使尺寸变化量增大。

二、淬火变形的主要发生时段

1.加热过程:工件在加热过程中,由于内应力逐渐释放而产生变形。

2.保温过程:以自重塌陷变形为主,即塌陷弯曲。

3.冷却过程:由于不均匀冷却和组织转变而至变形。

三、加热与变形

当加热大型工件时,存在残余应力或者加热不均匀,均可产生变形。残余应力主要来源于加工过程。当存在这些应力时,由于随着温度的升高,钢的屈服强度逐渐下降,即使加热很均匀,很轻微的应力也会导致变形。

一般,工件的外缘部位残余应力较高,当温度的上升从外部开始进行时,外缘部位变形较大,残余应力引起的变形包括弹性变形和塑性变形两种。

加热时产生的热应力和想变应力都是导致变形的原因。加热速度越快、工件尺寸越大、截面变化越大,则加热变形越大。热应力取决于温度的不均匀分布程度和温度梯度,它们都是导致热膨胀发生差异的原因。如果热应力高于材料的高温屈服点,则引起塑性变形,这种塑性变形就表现为“变形”。

相变应力主要源于相变的不等时性,即材料一部分发生相变,而其它部分还未发生相变时产生的。加热时材料的组织转变成奥氏体发生体积收缩时可出现塑性变形。如果材料的各部分同时发生相同的组织转变,则不产生应力。为此,缓慢加热可以适当降低加热变形,最好采用预热。

此外,由于加热中因自重而出现“塌陷”变形的情况非常多,加热温度越高,加热时间越长,“塌陷”现象越严重。

四、冷却与变形

冷却不均时将产生热应力导致变形发生。因工件的外缘和内部存在冷却速度差异,该热应力是不可避免的,淬火情况下,热应力与组织应力叠加,变形更为复杂。加之组织的不均匀、脱碳等,还会导致相变点出现差异,相变的膨胀量也有所不同。

总之,“变形”是相变应力和热应力共同所致,但并非全部应力都消耗在变形上,而是一部分作为残余应力存在于工件中,这种应力就是导致时效变形和时效裂纹的原因。

热应力和相变应力叠加引起的变形

淬火方法和变形关系示意图

因冷却而导致的变形表现为以下几种形式:

1.工件急冷初期,急冷的一侧凹陷,然后转为凸起,结果快冷的一面凸起,这种情况属于热应力引起的变形大于相变引起的变形。

2.由热应力所引起的变形是钢料趋于球形化(见图1),而由相变应力所引起的变形则使之趋于绕线轴状(见图2)。因此淬火冷却所致的变形表现为两者的结合(图3),按照淬火方式的不同,表现出不同的变形如图4所示。

3. 仅对内孔部分淬火时,内孔收缩。将整个环形工件加热整体淬火时,其外径总是增大,而内径则根据尺寸的不同时涨时缩,一般内径大时,内孔涨大,内径小时,内孔收缩

五、冷处理与变形

冷处理促进马氏体转变,温度较低,产生的变形比淬火冷却要小,但此时产生的应力较大,由于残余应力、相变应力和热应力等的叠加容易导致开裂。

六、回火与变形

工件在回火过程中由于内应力的均匀化、减小甚至消失,加上组织发生变化,变形趋于减小,但同时,一旦出现变形,也是很难矫正的。为了矫正这种变形,多采用加压回火或喷丸硬化等方法。

七 、重复淬火与变形

通常情况下,一次淬火后的工件未经过中间退火而进行重复淬火,将增大变形。重复淬火引起的变形,经过重复淬火,其变形累加而趋于球状,容易产生龟裂,但形状相对稳定了,不再容易产生变形了,因此重复淬火前应增加中间退火,重复淬火次数应小于等于2次(不含首次淬火)。

八、残余应力与变形

加热过程中,在450℃左右,钢由弹性体转变为塑性体,因此很容易呈上升塑性变形。同时,残余应力在约高于此温度时也将因再结晶而消失。因此,快速加热时,由于工件内外部存在温度差,外部达到450℃变成了塑性区,受而内部温度较低处存在残余应力作用而发生变形,冷却后,该区域就是出现变形的地方。由于实际生产过程中,很难实现均匀、缓慢加热,淬火前进行消除应力退火是非常重要的,除了通过加热消除应力外,对于大型零件采用振动消除应力也是有效的。

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