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1、对热处理过程中变形及开裂问题的探讨对热处理过程中变形及开裂问题的探讨 摘 要：在热处理过程中变形与开裂是常见而又比较难解决的问题。对热处理变形的 规律的复杂性我们还没有彻底的认识和掌握。论文分析了热处理变形、开裂的原因， 影响变形的因素以及减少热处理变形、防止开裂的一系列技术措施。因此，分析研究 金属热处理变形、开裂的原因，掌握其规律性，并找出减小变形、防止开裂的技术措 施，具有十分重要的意义。 关键词：热处理；变形；开裂；热应力；组织应力 Study on the deformation and cracking problem in the process of heat treatmen
2、t AbstractAbstract : Deformation in the process of heat treatment and cracking is a common and difficult problem. We had not thoroughly understanding of the complexity of heat treatment deformation law and master. The paper analyzed the reason of the heat treatment deformation, cracking, factors aff
3、ecting the deformation and reduce heat treatment distortion, a series of technical measures to prevent cracking. Therefore, analysis of the causes of deformation, cracking of metal heat treatment, grasp its regularity, and to find out the technical measures to reduce the deformation, cracking, has t
4、he very vital significance. KeyKey wordswords: Heat treatment; deformation; crack; thermal stress; stress 山西机电职业技术学院大专毕业论文 2 目目 录录 引言引言 4 一、热处理变形、开裂的原因 5 5 1.1 工件热处理的尺寸变化.6 1.2 工件热处理的形状畸变.9 1.3 热处理变形的一般规律10 13.1 淬火变形的趋势 .10 1.3.2 影响热处理变形的因素 11 二、影响变形及开裂的因素 1313 2.1 钢的化学成分13 2.2 钢的淬透性13 2.3 钢的原始组织14
5、2.4 淬火介质14 2.5 零件的几何形状尺寸15 2.6 淬火方法16 三、减少变形及开裂的措施 1616 1、合理的选用钢材 16 2、合理的选择加热温度 16 3、合理锻造及预先热处理 17 4、合理设计工件的结构尺寸 17 5、采用合理的热处理工艺 18 6、采用正确的淬火操作方法 18 7、预留合理的加工余量 19 8、合理的安排工艺路线 19 9、修改技术要求 20 10、按变形频率调节加工尺寸 .20 结束语 2121 致 谢 2121 山西机电职业技术学院大专毕业论文 3 引言引言 变形是指零件在热处理时引起的形状和尺寸的偏差。变形是热处理较难解决的问 题，要完全不变形时不可
6、能的，一般是把变形量控制在一定范围内。超过变形量时， 只能用校正法校正。开裂是绝对要避免的，因为开裂零件无法挽救，只能报废，这既 浪费了材料与加工费用，又影响了生产，给国家造成损失。因此，分析研究金属热处 理变形、开裂的原因，掌握其规律性，并找出减小变形、防止开裂的技术措施，具有 十分重要的意义。 山西机电职业技术学院大专毕业论文 4 一、热处理变形、开裂的原因 工件的变形包括尺寸变化和形状变化两种。不论哪种变形，主要都是由于热处理 时，工件内部产生的内应力所造成的。根据内应力的形成原因不同，可以分为热应力 与组织应力。工件的变形就是这两种应力综合影响的结果，当应力大于屈服极限时就 会发生永久
7、变形，如果大于材料的强度工件就会开裂。下面对两种应力分别加以研究。 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
8、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，
9、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。 1.11.1 工件热处理的尺寸变化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 1-1 所示。 组 织wc()室温下的比体积(cm3。g-1) 山西机电职业技术学院大专毕业论文 5 奥氏体 马氏体 铁索体 渗碳体 -碳化物 石墨 铁素体+渗碳体 低碳马氏体+-碳化物 铁素体+-碳化物 02 02 00.02 6.70.2 8.50.7 100 02 02 02 0.1212+0.0033(C) 0.1271+0.0025(C) 0.127l 0.130
10、土 0.001 0.1400.002 0.451 0.1271+0.0005(C%) 0.1277+0.0015(C%-0.25) 0.127l+0.0015(C) 表 1-1 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 1-1 所示。对于原始组织为珠光体的钢样，在 A1 温度以下加热， 随着温度的升高钢样受热膨胀，在 A1 和 A3 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 A3 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
11、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 一 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 1-a 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 1-b)；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 1-c)；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 1-d 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
12、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 0 100 (4.62 2.11) 100100 cAA M w 0.067 1 0.01 Sc M c w w 式中 A、C残余奥氏体和碳化物的体积分数； wM马氏体(残余奥氏体)的碳的质量分数； 山西机电职业技术学院大专毕业论文 6 wS钢的平均碳的质量分数。 假设 A=10，C=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 2。表中碳含量系指基体组织中的 实际碳的质量
13、百分数。 图 1-1 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 1-2 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() 山西机电职业技术学院大专毕业论文 7 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 球状珠光体一铁索体+渗碳体 4.64+2.21（Wc） 4.640.53（Wc） 1.68（Wc） 4.641.43（Wc） 0.78（Wc） 4.642.21（Wc） 0 0.0155+0.0074（Wc）
14、 0.0155+0.0018（Wc） 0.0056（Wc） 0.01560.0048（Wc） 0.0026（Wc） 0.01550.0074（Wc） 0 因而其体积变形随回火温度和时间而异。碳钢在 l00200温区内回火，马氏体 分解析出 碳化物或 碳化物等中间碳化物，体积发生收缩；在 200300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 1-1 为碳钢的回火转变及尺寸变化示意图
15、。 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。 1.21.2 工件热处理的形状畸变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
16、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。 与工件加热时的情况相比，工件冷却时产生的热应力和组织应力对工件的变形影 响更大。热应力引起的变形主要发生在热应力产生的初期，这是因为冷却初期工件内 山西机电职业技术学院大专毕业论文 8 部仍处于高温状态，塑性好，在瞬时热应力作用下，心部因受多向压缩易发生屈服
