金屬材料的熱處理變形與防控分析

張凱

（四川職業(yè)技術學院建筑與環(huán)境工程系，四川 遂寧　629000）

金屬材料的熱處理變形與防控分析

張凱

（四川職業(yè)技術學院建筑與環(huán)境工程系，四川 遂寧629000）

熱處理變形是影響工件熱處理質量的重要因素，本文分析了熱處理變形的表現(xiàn)形式、變形機理和影響因素，提出了防控熱處理變形的有效措施.

熱處理；變形機理；影響因素；防控措施

金屬在熱處理過程中會在組織應力、熱應力以及重力作用下發(fā)生不同程度的形狀或者尺寸的變化，這就是通常所說的熱處理變形.熱處理變形是降低熱處理質量的因素之一，常常導致一些精密零件因為變形而超差，從而造成不必要的經濟損失.由于熱處理變形的機理復雜，影響因素很多，解決熱處理變形問題也就變得十分復雜，以下是作者對金屬熱處理變形的表現(xiàn)形式、變形機理、影響因素和防控措施的分析和研究.

1 熱處理變形的表現(xiàn)形式

1.1 尺寸產生變化

熱處理通常包括常規(guī)熱處理、化學熱處理和形變熱處理等.不論哪一種熱處理工藝，其熱作用的基本過程一般都要經過升溫、保溫和冷卻幾個溫度變化階段，尤其是常規(guī)熱處理所保持的溫度通常都比較高，此時材料可能在熱應力、相變應力和重力作用下引起尺寸發(fā)生不同程度的變化，這種尺寸變化可以是宏觀的也可以是微觀的，包括如伸長、收縮、變厚和變薄等.這其中，尤以淬火熱處理較為典型一些.工件在悴火時會產生相變應力和熱應力兩種內應力，當應力累積到一定程度的時候就引起工件尺寸發(fā)生變化.尺寸變形分為一維，二維和三維變形.具體來說，在熱應力作用下，工件將沿著最大尺寸方向產生收縮，沿著最小尺寸方向產生膨脹，沿著孔的直徑方向發(fā)生收縮；在相變應力作用下，則是沿著最大尺寸方向伸長，沿著最小尺寸方向縮小，使工什尖角突出，平面內凹，孔徑一般脹大.當然實際熱處理變形引起的尺寸變化受多種因素的影響而變得十分復雜和多樣.

1.2 形狀發(fā)生改變

金屬材料熱處理過程中出現(xiàn)的熱應力和相變應力，不僅使材料發(fā)生尺寸變化還致使材料的形狀發(fā)生變化.如零件形狀產生彎曲、翹曲、扭曲等.對于軸類零件產生軸線方向的彎曲變形，薄壁圓形零件沿著直徑和軸線方向均可能發(fā)生變形，齒輪零件不僅齒輪體的外形可能發(fā)生變化而且也可能因為熱處理引起齒形的改變，使得齒形的誤差超出公差允許的范圍.

2 熱處理變形的產生機理

2.1 熱應力致使材料變形

由于熱處理在加熱或者冷卻過程中存在不均勻性，有時還可能需要快速加熱或者快速冷卻，必然在工件的內外或表面的不同部位形成溫度差，造成熱脹冷縮不一致，這種因熱脹冷縮不均產生體積差引起的內部應力就是熱應力.熱應力變形的定量分布變化比較復雜，通過熱彈性解析法對變形和內部應力進行跟蹤分析，采用差分法和有限單元法對溫度和應力進行解析表明，熱應力在零件表面以壓應力的形式分布，在零件心部以拉應力的形式分布，在大型軸類零件心部的軸向這種拉應力特別大.當熱應力達到材料塑性變形極限時就發(fā)生永久性的塑性變形.

2.2 相變應力致使材料變形

金屬在熱處理過程中由于發(fā)生組織轉變，不同組織的比容變化造成體積的膨脹或收縮，從而產生內應力，這就是通常所說的相變應力.由于熱處理時溫度差的存在，相變首先從表面部分開始，先相變的表面會使未相變的心部發(fā)生塑性變形，伴隨著相變引起材料發(fā)生的形狀改變在常溫時也可能殘留下來.這種相變應力的不均勻性還會由于材料中的合金成分偏析或者表面脫碳表現(xiàn)更為突出，更易導致零件變形.相變應力對變形的具體影響取決于相變的種類和轉變點.在淬火冷卻時，過冷奧氏體發(fā)生鐵素體、貝氏體、馬氏體三種相變.它們的相變溫度從高到低依次是鐵素體、貝氏體和馬氏體。體積膨脹馬氏體最大，上貝氏體次之，下貝氏體和屈氏體的體積變化很小.鐵素體相變時出現(xiàn)凸起變形，馬氏體相變出現(xiàn)凹下變形，在相變點低和溫度梯度小的狀態(tài)下發(fā)生馬氏體相變時，工件變形傾向于凸起變形.淬火后的回火或熱處理以后的相變是:在較高溫度時從α馬氏體中析出碳化物成為β馬氏體，體積收縮；200℃時殘余奧氏體分解為貝氏體，體積膨脹.此時，由于馬氏體分解的收縮和奧氏體分解的膨脹互相抵消，相變應力的表現(xiàn)不明顯.

2.3 蠕變致使材料變形

所謂蠕變就是指鋼材由于受熱以后塑性增大，在支承方法不正確情況下受到重力作用產生的撓曲變形.熱處理時的工件需要保持在較高溫度，如果支承的方法不恰當，就會產生蠕變變形，工件就會因為蠕變彎曲而超出誤差范圍.熱處理的溫度越高，熱處理的時間越長，蠕變變形就越大.

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3 熱處理變形的影響因素

3.1 熱處理的溫度參數(shù)

影響熱處理變形的因素很多，其中最主要的影響因素是溫度.溫度的高低以及保溫時間的長短直接關系到組織應力和熱應力的產生和作用大小，同時溫度升高金屬的塑性增大，高溫蠕變的趨勢也更加明顯.在淬火工藝中，加熱的溫度主要引起材料的翹曲變形，對體積變形引起的尺寸變化的影響則不大.因此，在保證獲得所需的熱處理性能指標的同時，要減少熱處理變形就必須嚴格測量和控制熱處理工藝階段的溫度.

3.2 工件的結構尺寸

對于長軸類工件，高碳鋼軸類工件淬透后為馬氏體組織，主要發(fā)生組織應力變形，所以表現(xiàn)為體積膨脹，直徑和長度增大；合金鋼軸類工件淬透性好，變形則由組織應力和熱應力綜合作用而產生，小尺寸件的直徑和長度均增大，大尺寸件直徑縮小長度增大.

對于環(huán)形套筒類工件，淬火后熱應力狀態(tài)分布為內外表壁受壓，心部受拉，使外徑增大，內徑和高度減小，組織應力狀態(tài)分布為內外表壁受拉，心部受壓，使外徑縮小，內徑和高度增大.在兩種應力作用下使工件產生最終的變形.

3.3 工件的機械加工

一是在加工細長類工件時受切削用量的影響會產生不同程度的殘余應力，增加淬火變形的敏感性.二是機械加工預留的加工余量與熱處理變形量以及熱處理后的機加工量存在較大的誤差，從而導致熱處理變形無法修復.

3.4 工件的裝夾方式

工件在加熱和冷卻過程中，因為裝夾方式以及所使用的夾具不同，可能使得工件的受熱和冷卻不均勻性加大，對于需要部分滲碳、滲氮等處理的工件造成滲層不均.這種不均勻性必然增大熱應力和組織應力，從而使工件變形量增大.

3.5 金屬材料的化學成分

影響金屬材料熱處理變形的化學成分主要是碳和其它合金元素.

含碳量是影響熱處理變形的主要因素.熱處理時相變引起的體積和形狀變化與溶解在該相內的含碳量有關，含碳量的變化主要影響馬氏體的比容、鋼的Ms點以及殘余奧氏體的數(shù)量.一般來說，隨著含碳量的增加，淬火馬氏體中固溶碳量也有所增加，相變比容增大，工件變形的趨勢也增大.但當工件含碳量達到一定程度，淬火后殘余奧氏體的數(shù)量增加，相變比容引起的形變隨含碳量增加而減小.所以，低碳鋼淬火后馬氏體的比容較小，組織應力小，淬火溫度高，以熱應力變形為主.中碳鋼全部淬透時，馬氏體的比容較低碳鋼大，馬氏體點仍然相當高，以組織應力變形為主；中碳鋼未淬透時，淬硬層越薄，組織應力引起的變形越小，個別情況還可能以熱應力變形為主.高碳鋼在淬不透的情況下，表現(xiàn)為以熱應力為主的變形方式，在全部淬透的情況下，以組織應力為主導作用.

合金元素如Cr、Mn、SI、Ni、Mo、W、V、Ti等也對熱處理的變形起到較大的影響.合金元素在鋼中主要以固溶體、合金滲碳體和合金碳化物的形式存在和分布，起到強化鋼的力學性能，提高塑性變形抗力的作用.除Al和Co外，合金元素增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移，鋼的淬透性增大，降低了淬火冷卻速度，減少溫差引起的熱應力變形.合金元素還阻礙淬火時過冷奧氏體向馬氏體轉變，降低Ms點，淬火后殘余奧氏體增多，比容變化減小，組織應力引起的變形也減小.

3.6 熱處理的工藝狀態(tài)

熱處理工藝過程的主要參數(shù)包括：加熱速度、加熱溫度、保溫時間、冷卻速度以及熱處理周期等.如果加熱和冷卻速度過快，可能造成金屬的相變不完全，組織成分不均勻，組織應力增大，熱應力釋放不徹底，使得熱處理變形加劇.

4 .熱處理變形的防控措施

4.1 嚴格測控熱處理溫度

一是按照熱處理工藝對溫度的要求，盡量準確測量熱處理加熱的溫度，減少溫度誤差.二是在保證材料獲得足夠的硬度及其它性能的情況下，降低工藝溫度，以提高塑性抗力，減小應力和蠕變.如淬火加熱時盡量采用下限溫度，適當降低二次淬火的溫度.

4.2 合理設計尺寸結構

在滿足工件功能要求的情況下，盡可能采用對稱設計，避免出現(xiàn)尖角、溝槽、厚薄不均等.在工件厚薄不均的地方要讓受熱溫度保持基本一致，或者預留熱處理加工余量.對非對稱變截面工件，也可在結構尺寸上做預先變形設計或處理來保證最終熱處理變形量不超標.

4.3 調整機加工工藝

一是正確選用細長類工件的機加工切削用量，盡量采用高速小前角刀具，特別對形狀復雜的工件在半精加工后進行加熱到回火溫度保溫4-8小時再隨爐緩冷到300C0的消除應力處理.二是適當增加工藝孔、預留加強筋，同時預留加工余量和熱處理變形矯正量，從而保證熱處理后通過機械加工來達到圖紙的精度要求.

4.4 采用恰當?shù)难b夾方式

采用合理的裝夾方式使工件受熱和冷卻均勻，避免不均勻性引起的熱應力或組織應力造成變形.如對盤類、軸類工件采用立式裝夾，對有具有孔槽的工件使用心軸裝夾，或者增加墊圈來加以補償支承.也可設計專用夾具來保證滲碳或滲氮層均勻，同時防止因加熱導致材料塑性化出現(xiàn)的蠕變.

4.5 選用合適的金屬材料

在滿足工件對金屬材料機械性能、工藝性能和經濟性等要求的情況下，應盡量選用熱處理變形敏感性小的材料.主要考慮三個因素：一是碳含量.在淬火時含碳量越高，馬氏體開始轉變溫度越低，因此，低碳鋼主要是熱應力變形，中碳鋼主要是組織應力變形，高碳鋼主要是熱應力變形.二是合金元素含量.合金元素的存在使得組織應力減小，從而工件的淬火變形也減小.三是淬透性.金屬的淬透性小熱處理變形小，所以盡量選用淬透性小的合金材料.

4.6 采用適宜的工藝方法

一是采用預備熱處理工藝.如用控溫正火或等溫退火方法對鍛件進行預備處理，對需要正火的工件進行等溫淬火等.二是采用適當?shù)睦鋮s方法保證冷卻均勻性.在不影響材料硬度的前提下，采用預冷、分級預冷等方法減小熱應力或組織應力.三是采用合適的加熱規(guī)范.通過調整工件在熱爐中的位置，在不對稱工件中填塞石棉或黃泥等方法，使工件受熱均勻.四是采用合適的處理介質.對于淬火冷卻盡量采用油性介質，并且實行熱油、冷油分級淬火.

5 .結束語

總之，我們通過對熱處理變形機理的分析，可以找出引起熱處理變形的主要因素，在熱處理升溫、保溫、冷卻的工藝過程中，采取正確的工藝措施和工藝方法，盡可能的控制或減少熱處理變形，從而提高熱處理產品的質量，降低熱處理的工藝成本，提高熱處理的效益.

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責任編輯：張隆輝

TG 157

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1672-2094（2015）01-0154-03

2014-11-27

張凱（1968-），男，四川蓬溪人，四川職業(yè)技術學院建筑與環(huán)境工程系講師，碩士.研究方向：金屬材料，力學，鋼結構.