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金屬材料熱處理會變形，盤點(diǎn)8個造成熱處理變形的原因-熱處理展-工業(yè)爐展-2024第二十四屆廣州國際熱處理、工業(yè)爐展覽會-巨浪展覽—The 24th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
2024年1月22日 熱處理展-工業(yè)爐展-heat treatment expo-furnace expo |
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當(dāng)前我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度不斷加快，在生產(chǎn)制造工作過程中對于金屬材料的性能和質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)正在不斷提升，金屬材料的生產(chǎn)需要更加具有專業(yè)化和多樣化，同時保證金屬材料的使用范圍得到進(jìn)一步擴(kuò)大。
在金屬材料的制作工作過程中，通常采用熱處理技術(shù)方法來進(jìn)行加工，不但可以有效轉(zhuǎn)變金屬材料內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時還可以有效調(diào)整與優(yōu)化金屬的外部形狀，有效提高整個金屬材料的使用效果，但是從實(shí)際生產(chǎn)工作情況進(jìn)行分析，金屬材料熱處理工作過程中經(jīng)常會受到很多外部影響因素，容易產(chǎn)生比較明顯的變形問題，因此需要針對這一問題進(jìn)行分析，找到金屬材料熱處理工作過程中產(chǎn)生變形問題的相關(guān)影響因素，同時提出針對性的控制工作策略來加以解決。
體積變化是由相變時比容的改變而引起的。馬氏體的質(zhì)量體積比鋼的其他組成相的質(zhì)量體積要大，熱處理時鋼由其他組成相轉(zhuǎn)化為馬氏體時，必然引起體積的增加。而奧氏體的質(zhì)量體積要比鋼的其他組織質(zhì)量體積要小，在熱處理時由其他組成相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，則引起體積的減小。
關(guān)于形狀的變化，歪扭或稱為畸變，主要是由于內(nèi)應(yīng)力或者外加應(yīng)力作用的結(jié)果。在加熱、冷卻過程中，因工件各個部位的溫度有差別，相變在時間上有先后，有時發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變也不一致，而造成內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力一旦超過了該溫度下材料的屈服極限，就產(chǎn)生塑性變形，引起形狀的改變。此外工件內(nèi)的冷加工殘余應(yīng)力在加熱過程中的松弛，以及由于加熱時受到較大的外加應(yīng)力也會引起形狀的變化。
8個影響熱處理變形的因素
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、加熱與變形
當(dāng)加熱大型工件時，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，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，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)生相變時產(chǎn)生的。加熱時材料的組織轉(zhuǎn)變成奧氏體發(fā)生體積收縮時可出現(xiàn)塑性變形。如果材料的各部分同時發(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，加熱時間越長，“塌陷”現(xiàn)象越嚴(yán)重。
四、冷卻與變形
冷卻不均時將產(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)致時效變形和時效裂紋的原因。
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)力所引起的變形是鋼料趨于球形化（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. 僅對內(nèi)孔部分淬火時，內(nèi)孔收縮。將整個環(huán)形工件加熱整體淬火時，其外徑總是增大，而內(nèi)徑則根據(jù)尺寸的不同時漲時縮，一般內(nèi)徑大時，內(nèi)孔漲大，內(nèi)徑小時，內(nèi)孔收縮
五、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。
六、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，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。
七 、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。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）。
八、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，殘余應(yīng)力在約高于此溫度時也將因再結(jié)晶而消失。因此，快速加熱時，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，對于大型零件采用振動消除應(yīng)力也是有效的。
來源：中科普金，機(jī)械樂園，波義耳的筆記
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