熱處理變形形式及原因
作者:上海川奇機(jī)電設(shè)備有限公司 | 發(fā)布時(shí)間:2024-07-10 |
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一、 變形的原因
鋼的變形主要原因是鋼中存在內(nèi)應(yīng)力或者外部施加的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力是因溫度分布不均勻或者相變所致,殘余應(yīng)力也是原因之一。外應(yīng)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(yīng)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(dāng)工件上有孔穴或者復(fù)雜形狀工件,則將導(dǎo)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(yīng)的要收縮。此外,回火時(shí)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(jìn)行深冷處理,則由于殘余奧氏體的馬氏體化而進(jìn)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(shí)段
1 加熱過程:工件在加熱過程中,由于內(nèi)應(yīng)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、 熱處理變形形式
1、加熱與變形
當(dāng)加熱大型工件時(shí),存在殘余應(yīng)力或者加熱不均勻,均可產(chǎn)生變形。殘余應(yīng)力主要來源于加工過程。當(dāng)存在這些應(yīng)力時(shí),由于隨著溫度的升高,鋼的屈服強(qiáng)度逐漸下降,即使加熱很均勻,很輕微的應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致變形。
一般,工件的外緣部位殘余應(yīng)力較高,當(dāng)溫度的上升從外部開始進(jìn)行時(shí),外緣部位變形較大,殘余應(yīng)力引起的變形包括彈性變形和塑性變形兩種。
加熱時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和想變應(yīng)力都是導(dǎo)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(yīng)力取決于溫度的不均勻分布程度和溫度梯度,它們都是導(dǎo)致熱膨脹發(fā)生差異的原因。如果熱應(yīng)力高于材料的高溫屈服點(diǎn),則引起塑性變形,這種塑性變形就表現(xiàn)為“變形”。
相變應(yīng)力主要源于相變的不等時(shí)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(shí)產(chǎn)生的。加熱時(shí)材料的組織轉(zhuǎn)變成奧氏體發(fā)生體積收縮時(shí)可出現(xiàn)塑性變形。如果材料的各部分同時(shí)發(fā)生相同的組織轉(zhuǎn)變,則不產(chǎn)生應(yīng)力。為此,緩慢加熱可以適當(dāng)降低加熱變形,最好采用預(yù)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(shí)間越長,“塌陷”現(xiàn)象越嚴(yán)重。
2、冷卻與變形
冷卻不均時(shí)將產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)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(yīng)力是不可避免的,淬火情況下,熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加,變形更為復(fù)雜。加之組織的不均勻、脫碳等,還會(huì)導(dǎo)致相變點(diǎn)出現(xiàn)差異,相變的膨脹量也有所不同。
總之,“變形”是相變應(yīng)力和熱應(yīng)力共同所致,但并非全部應(yīng)力都消耗在變形上,而是一部分作為殘余應(yīng)力存在于工件中,這種應(yīng)力就是導(dǎo)致時(shí)效變形和時(shí)效裂紋的原因。
因冷卻而導(dǎo)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(yīng)力引起的變形大于相變引起的變形。
2) 由熱應(yīng)力所引起的變形使鋼料趨于球形化(見圖1),而由相變應(yīng)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 )只有對(duì)內(nèi)孔部分淬火時(shí),內(nèi)孔收縮。將整個(gè)環(huán)形工件加熱整體淬火時(shí),其外徑總是增大,而內(nèi)徑則根據(jù)尺寸的不同時(shí)漲時(shí)縮,一般內(nèi)徑大時(shí),內(nèi)孔漲大,內(nèi)徑小時(shí),內(nèi)孔收縮。
5、冷處理與變形
冷處理促進(jìn)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(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力較大,由于殘余應(yīng)力、相變應(yīng)力和熱應(yīng)力等的疊加容易導(dǎo)致開裂。
6、 回火與變形
工件在回火過程中由于內(nèi)應(yīng)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(shí),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。
7、 重復(fù)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(jìn)行重復(fù)淬火,將增大變形。圖5為重復(fù)淬火引起的變形,經(jīng)過重復(fù)淬火,其變形累加而趨于球狀,容易產(chǎn)生龜裂,但形狀相對(duì)穩(wěn)定了,不再容易產(chǎn)生變形了,因此重復(fù)淬火前應(yīng)增加中間退火,重復(fù)淬火次數(shù)應(yīng)小于等于2次(不含首次淬火)。
8、殘余應(yīng)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(shí),殘余應(yīng)力在約高于此溫度時(shí)也將因再結(jié)晶而消失。因此,快速加熱時(shí),由于工件內(nèi)外部存在溫度差,外部達(dá)到450℃變成了塑性區(qū),受而內(nèi)部溫度較低處存在殘余應(yīng)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(shí)際生產(chǎn)過程中,很難實(shí)現(xiàn)均勻、緩慢加熱,淬火前進(jìn)行消除應(yīng)力退火是非常重要的,除了通過加熱消除應(yīng)力外,對(duì)于大型零件采用振動(dòng)消除應(yīng)力也是有效的。
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