热处理变形Word文件下载.docx

1、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 02000267028.50.7100 0.1212+0.0033（C）01271+00025（C） 0127l0130土0001014000020.4510.1271+0.0005（C%） 01277+00015（C-025） 0127l+00015（C） 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

2、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。

3、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； 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

4、 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 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）0.0155+0.0074（Wc）0.0155+0.0018（Wc）0.0056（Wc）0.01560.0048（Wc）0.0026（Wc）0.01550.0074（Wc）因而其体积变

5、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

6、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、

7、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而产生塑性变形。冷却后期，随工件温度的降低，钢的屈服强度升高，相对来说塑性变形变得更加困难，冷却至室温后，冷却初期的不均匀塑性变形得以保持下来造成工件的变形。3 热处理变形的一般规律31淬火变形的趋势 高度大于直径的圆柱体状工件淬火冷却时，在马氏体点Ms以上时

8、，变形主要由热应力所引起，随冷却时间的不同，其变形过程如图3-3所示。1表示冷却刚开始，心表温差尚小，形成的瞬时热应力尚未达到钢在该温度下的屈服强度。2表示随着冷却的继续进行，心表温差的增大，瞬时热应力伸不断增大，由于表面温度比心部温度低，表面材料的屈服强度比心部高，当表面瞬时拉伸热应力尚未达到材料的屈服强度时，心部的瞬时压缩热应力已经达到材料的屈服点使心部开始发生压缩塑性变形。3表示随着热应力的增大，心部的塑性变形量也随之增大。4表示冷却后期，塑性变形结束，残余热应力形成。由于心部在瞬时热应力作用下，产生了压缩变形，结果使得圆柱体高度缩短，直径变粗，由于圆柱体中部比两端冷却慢，其心部塑性更好

9、，压缩变形更大，最终造成腰鼓状变形。直径大于厚度的圆盘件，则厚度增大，直径缩小。 用同样的分析方法可以说明，在Ms点以下，由于瞬时组织应力的作用，工件变形的趋势是沿最大尺寸方向伸长，沿最小尺寸方向收缩，表面内凹，棱角变尖，对于长度大于直径的圆柱体工件，具体表现为心部被拉长，直径变细长度增加。实际生产中，淬火冷却时既有瞬时热应力，也有瞬时组织应力，由于它们引起的变形相反，工件最终的变形，是两种应力引起的变形的叠加。带有孔或型腔的工件的变形情况要复杂些。对于壁厚小于高度的带圆孔的工件，分析其淬火变形规律时，可以设想把工件沿纵向剖开分解成若干个单元体，每个单元体可近似地看成一个小圆柱体，在瞬时热应力

10、作用下，每个小单元体都发生高度减小，直径增大的变形。其结果是由这些小单元体组成的孔型工件，必然是内孔收缩，外径增大。用同样的方法可以说明在瞬时组织应力作用下，工件内孔胀大，外径收缩。一些简单工件的变形趋势如表3-3所示。把工件沿纵向剖开分解成若干个单元体，每个单元体可近似地看成一个小圆柱体，在瞬时热应力作用下，每个小单元体都发生高度减小，直径增大的变形。用同样的方法可以说明在瞬时组织应力作用下，工件内孔胀大，外径收缩。32影响热处理变形的因素 工件在热处理过程中体积和形状的改变，是由于钢中组织转变时的比体积变化所引起的体积膨胀，以及热处理应力引起的塑性变形所造成。因此，热处理应力愈大，相变愈不

11、均匀，则变形愈大，反之则小。为减小变形，必须力求减小淬火应力和提高钢的屈服强度。显然，凡是影响钢的屈服强度和热处理内应力的因素都将影响工件的热处理变形。这些因素包括钢的化学成分、组织结构、热处理工艺参数、冷却的激烈程度和方式、工件热处理前的应力状态以及工件的形状尺寸等。3.2.l化学成分对热处理变形的影响 钢的化学成分通过影响钢的屈服强度、Ms点、淬透性、组织的比体积和残余奥氏体量等影响工件的热处理变形。 钢的碳含量直接影响热处理后所获得的各种组织的比体积。图3-4为室温下不同组织的比体积与碳含量间的关系。图3-5为碳钢的碳含量与Ms点和残余奥氏体量之问的关系。随着钢的碳含量的增加，马氏体的体

12、积增大，Ms点降低，残余奥氏体量增多。淬透性增大，屈服强度升高。淬透性和马氏体比体积的增大，增大了淬火的组织应力和热处理变形；而残余奥氏体量的增多和屈服强度的升高，减小了比体积变化，导图3-4 不同组织的比体积与碳含量的关糸样的变形为中部直径缩小，端部直径增大，长度增大。当碳的质量分数进一步增加到O8以上时由于Ms点的降低，残余奥氏体量的增加，其变形又呈长度缩短。直径增大的热应力型变形。并且由于高碳钢屈服强度的升高，其变形量要小于中碳钢。对碳素钢来说，在大多数情况下，以T7A钢的变形量为最小。当碳的质量分数大于0.7时，多趋向于缩小；但碳的质量分数小于0.7时，内径、外径都趋向于膨胀。表3-4

13、碳含量对淬火时体积变化量的影响（试样尺寸：25mm100mm） 合金元素对工件热处理变形的影响主要反映在对钢的Ms点和淬透性的影响上。大多数合金元素，例如，锰、铬、硅、镍、钼、硼等，使钢的Ms点下降，残余奥氏体量增多，减小了钢淬火时的比体积变化和组织应力。因此，减小了工件的淬火变形。合金元素提高了钢的屈服强度，也有利于减小热处理变形。但是，合金元素显著提高钢的淬透性，从而增大了钢的体积变形和组织应力，导致工件热处理变形倾向的增大。此外，由于合金元素提高钢的淬透性，使临界淬火冷却速度降低，实际生产中，可以采用缓和的淬火介质淬火，从而降低了热应力，减小了工件的热处理变形。一般来说，在完全淬透的情况

14、下，由于碳素钢的Ms点高于合金钢的Ms点，其马氏体相变在较高温度下开始。由于钢在较高温度下具有较好的塑性，加之碳素钢本身屈服强度相对较低，因而带有内孔（或型腔）类的碳素钢件，变形较大，内孔（或型腔）趋于胀大。合金钢由于强度较高，Ms点较低，残余奥氏体量较多，故淬火变形较小，并主要表现为热应力型的变形，其钢件内孔（或型腔）趋于缩小。因此，在与中碳钢同样条件下淬火时，高碳钢和高合金钢工件往往以内孔收缩为主。在常用的合金元素中，硅对Ms点的影响不大，只对试样变形起缩小作用；钨和钒对淬透性和Ms点影响也不大，对工件热处理变形影响较小。故工业上所谓的微变形钢，均含有较多量的硅、钨、钒等合金元素。 3.2

15、.2 原始组织和应力状态对热处理变形的影响 工件淬火前的原始组织，例如，碳化物的形态、大小、数量及分布，合金元素的偏析，锻造和轧制形成的纤维方向都对工件的热处理变形有一定影响。球状珠光体比片状珠光体比体积大，强度高，所以经过预先球化处理的工件淬火变形相对要小。对于一些高碳合金工具钢，例如，9Mn2V、CrWMn和GCrl5钢的球化等级对其热处理变形开裂和淬火后变形的校正有很大影响，通常以2.55级的球化组织为宜。调质处理不仅使工件变形量的绝对值减小，并使工件的淬火变形更有规律，从而有利于对变形的控制。条状碳化物分布对工件的热处理变形有很大影响。淬火后平行于碳化物条带方向工件膨胀，与碳化物条带相

16、垂直的方向则收缩，碳化物颗粒愈粗大，条带方向的膨胀愈大。对于Cr12类型钢和高速钢等莱氏体钢来说，碳化物的形态和分布对淬火变形的影响尤为显著。由于碳化物的热膨胀系数小，约为基体的70，因而在加热时，沿条带状分布的碳化物方向上，膨胀较小的碳化物抑制了基体的伸长，而冷却时，收缩较小的碳化物又会阻碍基体的收缩。由于奥氏体化加热温度较缓慢，碳化物对基体膨胀的抑制作用较弱，故条带状分布的碳化物对工件淬火加热变形的方向性影响较小；但在淬火冷却时，由于冷却速度快，碳化物对基体收缩的抑制作用增大，所以淬火后沿碳化物条带方向呈现较大的伸长。经过轧制和锻造的材料，沿不同的纤维方向表现出不同的热处理变形行为。图36

17、为碳的质量分数0.13的碳素钢试样沿纤维方向（纵向）和垂直于纤维方向（横向）水淬后的尺寸变化率。纤维方向不明显的正火态试样沿纵、横方向的尺寸变化差别较小；而退火态试样，有明显带状组织存在时，沿纤维方向和垂直于纤维方向的尺寸变化则显著不同。图37为经不同锻造比锻造的Cr12型钢材，沿不同方向取样淬火处理后，测定的尺寸变化率随锻造比的变化。结果表明，锻造比较大，纤维方向明显时，沿纤维方向的纵向试样尺寸变化率大于垂直于纤维方向的横向试样的尺寸变化率。 过共析钢存在网状碳化物时，在网状碳化物附近，碳和合金元素大量富集，在离网状碳化物较远的部位，碳和合金元素较低，结果增大了淬火组织应力，使淬火变形增大甚

18、至开裂。因此，过共析钢的网状碳化物必须通过恰当的预先热处理予以消除。 另外，钢锭的宏观偏析常造成钢材横截面上的方形偏析，这种偏析往往造成圆盘状零件的不均匀淬火变形。总之，工件的原始组织愈均匀，热处理变形愈小，变形愈有规律，愈易于控制。 淬火前工件本身的应力状态对变形有重要影响。特别是形状复杂，经过大进给量切削加工的工件，其残余应力若未经消除，对淬火变形有很大影响倾向。W18Cr4V钢制造的锥柄钻头，尺寸为50mm350mm，淬火前未进行消除内应力退火时，淬火变形达0.700.75mm，淬火前经5506002h去应力退火处理，其淬火后变形降低到0.150.25mm。例如消除应力处理对渗氮镗杆变形

19、的影响，镗杆尺寸为75mm1930mm，一组镗杆进行两次消除应力处理，即第一次消除应力后进行精加工，然后再进行第二次消除应力处理；另一组镗杆切削加工后只进行一次消除应力处理，然后将两组镗杆渗氮，分别测量500mm长度内的变形量，结果如表3-5所示。323 工件几何形状对热处理变形的影响几何形状复杂，截面形状不对称的工件，例如带有键槽的轴，键槽拉刀、塔形工件等（图38），淬火冷却时，一个面散热快，冷却速度大；另一面散热慢，冷却速度小，也就是说截面形状不对称的工件淬火冷却是一种不均匀的冷却。这种不均匀淬火冷却对变形的影响可以用一个形状简单的长板形工件横向入油淬火为例加以说明，如图39所示。假设一板

20、状工件因淬火操作不当横向入油淬火，如图39a所示，由于平板下表面先入油，故下表面比上表面冷却快，其上下表面及心部温度随冷却时间的变化如图39b所示，图39c则为不同冷却时刻截面温度的分布。1表示冷却开始时，上下表面都比心部冷却快。温度比心部低，但是心表温差引起的瞬时热应力尚未达到材料的屈服强度，见图39d；随着冷却继续进行，温度的降低瞬时热应力和材料的屈服强度都在升高，但由于下表面冷却快，其屈服强度高于上表面的屈服强度。于2时刻，心部和上表面的瞬时热应力达到材料的屈服强度时，上表面在拉应力作用下伸长，心部在压应力怍用下被压缩，结果使板向上拱，即冷却快的下表面成为凹面，如图39e所示。进一步冷却

21、至3和4时刻时，随着心部温度的降低和收缩，热应力减小并发生应力反向，但由于材料的屈服强度升高，热应力不再引起塑性变形，即热应力造成的变形是使工件向冷却馒的一面凸起。冷却到Ms点以下发生马氏体转变时，其应力与变形恰恰相反，瞬时组织内应力使冷却快的下表面成为凸面，平板向上弯，如图39f所示。冷却终了的变形，是这两种变形叠加的结果。如果在Ms点以上的不均匀冷却引起的变形占优势，则冷却快的一面是凹面，若在Ms点以下的不均匀冷却引起的变形占优势，则冷却快的一面为凸面，工件向冷却慢的一面弯曲。表3-6为形状不对称的Crl2MoV钢制零件实测的热处理变形情况。淬火加热温度为1020，等温温度为220250，

22、等温后空冷。结果表明，Ms点以下的不均匀冷却引起的变形起主导作用。增加等温时间，增加贝氏体转变量，使残余奥氏体更加稳定，减小空冷中的马氏体转变量，可使工件的变形量显著减小。分析工件受不均匀冷却的变形时，准确判断哪一个面冷却快是很重要的，否则会得出相反的结论。实践表明，工件形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后的变形也愈明显。3.2.4 工艺参数对热处理变形的影响 无论是常规热处理还是特殊热处理，都可能产生热处理变形，分析热处理工艺参数对热处理变形的影响时，最重要的是分析加热过程和冷却过程的影响。加热过程的主要参数是加热的均匀性、加热温度和加热速度；冷却过程的主要参数是冷却的均匀性和冷却速度

23、。不均匀冷却对淬火变形的影响与工件截面形状不对称造成的不均匀冷却情况相同本节主要讨论其他工艺参数的影响。 1不均匀加热引起的变形加热速度过快、加热环境的温度不均匀和加热操作不当均能引起工件的不均匀加热。加热的不均匀对细长工件或薄片件的变形影响十分显著。这里说的不均匀加热并不是指工件表面和心部在加热过程中不可避免的温度差，而是特指由于种种原因工件各部分存在温度梯度的情况。现以图310为例说明不均匀加热对工件变形的影响。假定一板状工件分为A和B两部分，其长度为L0。在不均匀加热情况下，若A部分温度较高，B部分温度较低，则由于A部分的热膨胀大于B部分的热膨胀，导致A部分受压应力，B部分受拉应力。在未

24、发生相变的较低温度下，若上述热应力未达到该温度下材料的屈服强度时，工件只发生弹性变形，温度下降到室温后，工件恢复到原长度，如图3-10a所示。随着温度的升高，特别在500以上，钢的屈服强度大幅度下降，在未发生相变的情况下，当温度较高的A部分内应力达到其屈服强度而发生压缩塑性变形时，温度较低的B部分的拉应力低于其屈服强度仍然只发生弹性变形，冷却至室温时，该工件不能恢复到原长度L0和原来的形状，若板薄而细长，加热呈较厚时，将发生两端上翘的弯曲变形，见图3一10b；若板很厚加热层很薄时，则易产生表面龟裂。当A部分的温度超过相变温度发生珠光体向奥氏体转变时，伴随发生的体积收缩将与热膨胀互相抵消，结果使

25、A、B两部分的膨胀差减小，变形量减小。图3-10不均匀加热时工件的变形示意图 a）内应力只引起弹性变形 b）内应力引起不均匀塑性变形 为了减小不均匀加热引起的变形，对于形状复杂或导热性较差的高合金钢工件，应当缓慢加热或采用预热。但是应当指出，虽然快速加热能导致长轴类工件和薄片状板件变形度的增加；然而，对于体积变形为主的工件，快速加热往往又能起到减小变形的作用。这是因为当只有工件的工作部位需要淬火强化时，快速加热可使工件心部保持在温度较低强度较高的状态下，工作部分即能达到淬火温度。这样强度较高的心部就能阻止工件淬火冷却后产生较大变形。另外，快速加热可以采用较高的加热温度和较短的加热保温时间，从而

26、可以减轻由于在高温阶段长时间停留因工件自重产生的变形。快速加热仅使工件表层和局部区域达到相变温度，相应地减小了淬火后的体积变化效应，这也有利于减小淬火变形。 2加热温度对变形的影响 淬火加热温度通过改变淬火冷却时的温差，改变淬透性、Ms点和残余奥氏体的数量而对淬火变形发生影响。提高淬火加热温度，增加了残余奥氏体量，使Ms点降低，组织应力引起的变形减小，使套类工件的孔腔趋于缩小；但另一方面，淬火加热温度的提高增加了淬透性增大了淬火冷却时的温差，提高了热应力，有使内孔胀大的倾向。实践证明，对于低碳钢制工件，若正常加热温度淬火后内孔收缩，提高淬火加热温度收缩的更大，为了减小收缩,要降低淬火加热温度；

27、对于中碳合金钢制的工件，若正常加热温度淬火后内孔胀大，则提高淬火加热温度胀的更大，为了减小孔腔的胀大，也需降低淬火加热温度。对于Cr12型高合金模具钢，提高淬火加热温度，使残余奥氏体量增多，孔腔趋于缩小。3淬火冷却速度对变形的影响 一般来说，淬火冷却愈激烈，工件内外和不同部位（截面尺寸不同的部位）温差愈大，产生的内应力愈大，导致热处理变形增大。图3-11为热模具钢制试样经不同冷却速度淬火回火的变形情况。三种介质的冷却速度以油冷最快，热浴冷却次之，空冷最慢。工件经三种不同冷速淬火后，其长度和宽度的变形皆倾向于收缩，变形量差别不大；但在厚度方向向上冷速慢的空冷淬火和热浴淬火引起的变形则小得多，其变

28、形胀大小于0.05，而油淬发生收缩变形，其最大变形量达0.28%左右。然而，当冷却速度的改变使工件的相变发生变化时，冷却速度的增大却并不一定会引起变形的增大，有时反而会使变形减小。例如，当低碳合金钢淬火后由于心部含有大量铁素体而发生收缩时，增大淬火冷却速度心部得到更多的贝氏体可以有效的减小收缩变形。相反，若工件淬火后因心部获得马氏体而胀大时，减小冷却速度从而减小心部的马氏体相对量又能使胀大减小。淬火冷却速度对淬火变形的影响是一个复杂的问题。但原则是在保证要求的组织和性能的前提下，应尽量减小淬火冷却速度。3.2.5 时效与冷处理对热处理变形的影响 对于精密零件和测量工具，为了在长期使用过程中，保

29、持精度和尺寸稳定，往往需要进行冷处理和回火，以便使其组织更加稳定，因此，了解回火工艺和冷处理对工件在时效过程中的变形规律，对于提高这类工件的热处理质量有重要意义。冷处理使残余奥氏体转变为马氏体导致体积膨胀；低温回火和时效一方面促使一碳化物析出和马氏体分解使体积收缩，另一方面引起一定程度的应力松弛导致工件产生形状畸变。钢的化学成分、回火温度和时效温度是影响时效过程中工件变形的主要因素。 图3-12是回火温度对碳素工具钢室温时效变形的影响。表3-7为150回火、冷处理和低温回火+冷处理复合处理对碳素工具钢室温时效变形的影响，可以看出，经上述工艺处理的碳素工具钢，在时效过程中，均表现为体积收缩。冷处理使大量的残余奥氏体转变为马氏体，导致随后时效过程中，由于马氏体分解而产生较大的体积变形。150回火，由于碳化物的析出和马氏体的分解以及残余奥氏体因热陈化而趋于稳定，因而室温时效时，组织基本上不发生变化，相