热处理变形

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

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A 1温度以下加热，随着温度的升高钢样受热膨胀，在A 1和A 3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A 3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(4.62 2.11)100100

c A A M w M -ϕ-ϕϕϕ=⨯(1.68ω+⨯+ϕ△ 0.06710.01S c M c

w w -ϕ=-ϕ 式中 φA 、φC —残余奥氏体和碳化物的体积分数；

w M —马氏体(残余奥氏体)的碳的质量分数；

w S —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％。

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(％)

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—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）

—0.0155+0.0074（Wc）

0.0155+0.0018（Wc）

0.0056（Wc）

0.0156—0.0048（Wc）

0.0026（Wc）

0.0155—0.0074（Wc）

球状珠光体一铁索体+渗碳体0 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。