材料变形的范围.doc

热处理变形：热处理变形： 一:钢的内应力及应力变形: 1.热应力:冷却初期表面为拉应力,心部为压应力.冷却最终则是表面为压应力,心部为拉应力.组织应力:冷却初期表面为压应力,心部为拉应力.冷却最终则是表面为拉应力,心部为压应力.附加应力:因表面和心部组织结构的不均匀性及钢件内部的弹塑性变形不一致形成的内应力.局部淬火或表面淬火:表层呈现压应力,中心呈现拉应力.渗碳件淬火:冷却初期表面为拉应力,心部为压应力.冷却最终则是表面为压应力,心部为拉应 力.(最大的压应力不在渗碳层的最外层,而存在于渗碳层表面以里约 50-60%的深度处,此处 碳浓度低于 0.5%). 2.影响钢的内应力的因素:1)钢的化学成分的影响:在全淬透的情况下,试样表层和中心显现压应力,中间层显现拉应力,故表层的应力分布以热 应力为主,而内部则以组织应力主.随着含碳量的增加,热应力减弱,组织应力逐渐增强,因此 表层的压应力减小,中间层的拉应力略有下降,心部的压应力则增大,且中间层的拉应力最大 值随含碳量的增加而移向表层.因切向应力较大,故对高碳钢极易产生纵向裂纹.在未淬透的情况下,钢件表层为压应力,心部为拉应力.淬透性愈小,表层压应力愈大.Ms 点温度较高的钢,热应力作用较强烈,残余拉应力最大值移向中心,表层显现压应力.2)淬火工艺的影响:淬火加热温度愈高,产生的淬火应力愈大,但径向应力变化较小,切向和轴向应力变化较大.加 热温度高,还易于造成钢的过热,即组织粗大化而导致脆性增大,易引起开裂.a:水淬钢全部淬透时,其应力分布为表面和心部呈压应力,中间区域呈拉应力,即属于热应力和 组织应力重叠型的分布规律.当中心未淬透时,表面被淬火部分受压应力,中心受拉应力作用.b:油中全淬透时,表层具有拉应力,心部为压应力,即属于单一的组织应力分布规律.未淬透时, 表层具有压应力,心间为拉应力,但应力变化较缓和.c:在穿透淬火时,水淬钢的最大拉应力值显现在钢件表面附近,油淬钢的拉应力显现在钢的表 面.这种表面附近的拉应力是形成淬火裂纹的主要危险.这时切向应力大于轴向应力,易形成 纵向裂纹.3)钢件尺寸大小和形状的影响:内孔直径很小的圆套筒的淬火应力是内孔的表面和外表面具有压应力,中间层为拉应力.内孔 直径稍大时,随壁厚的减小热应力的影响急剧减小,从而其残余应力的分布是内表面和外表 面具有拉应力,中间层具有压应力.在淬火效果差时,内表面产生的拉应力将很大,故内径小的 高碳钢套筒内壁易产生淬火裂纹.内径进一步增大,壁厚进一步减小时,组织应力的影响增强, 热应力分布减弱,则总的淬火应力趋于降低.4)钢件表面脱碳的影响:脱碳使得钢伯的脱碳层具有拉应力.脱碳层浓度不同,其应力分布也有差别:随脱碳层浓度的增加,表面的切向应力由压应力转变 为拉应力.轴向应力则随脱碳层浓度的增加,开始为拉应力而后转为压应力.3.钢的内应力的分解:1)径向应力:2)轴向应力:3)切向应力:3.钢件表面淬火时的残余应力:1)高频淬火后钢的内应力:2)火焰淬火后钢的内应力:表面具有压应力,中心具有拉应力.4.化学热处理后钢件内的残余应力:1)渗碳淬火后钢的内应力:2)氮化钢的内应力:2.热应力塑性变形的作用 结果是使轴类零件的长度收缩,直径变粗;使饼形零件直径收缩,厚度增加;使环形零件的内孔和 外径收缩,厚度增加.在生产中主要表现为零件的尺寸收缩.如 50#,T10A 钢,φ20×200 试样 加热至 720-740℃水淬一次,长度方向的收缩变形量约 0.4mm.因淬火时形成的马氏体比容比奥氏体的大,硬度高,塑性条件差,故钢淬火冷至马氏体转变区 的应力变形主要以拉伸应力变形为主.组织应力使杆状零件长度伸长,直径减缩;使圆饼形零 件直径胀大,厚度减少. 3.杆状零件,一般应力作用的主导主向都是轴向.圆饼形零件主导应力主向都是径向.简单的立 方体零件应力最集中的部位是八条棱角边.应力变形取决于主导应力方向应力作用类型和 大小. 4.淬火体积变形的大小还与下列因素有关:1).淬火前后的组织比容差别:2).提高淬火加热温度时,奥氏体中合金元素的溶解量增加,使淬火后马氏体比容增大,但同时引 起残余奥氏体量增加.在常规淬火范围内,对低合金工具钢,多数是以提高淬火加热温度使马 氏体比容增大引起体积变形增加的效应为主，而对高碳高铬钢则不同3).零件全淬透时体积变形量最大,淬硬层愈浅,体积变形量愈小.4).凡使残余奥氏体量增加的各种方法如分级等温淬火,等温级冷等都可使体积变形量减少.5).除在回火时促使残余奥氏体转变的情况外,其它回火形式都使体积尺寸收缩.淬火冷却激烈的碳素钢零件内应力塑性变形大.采用分级等温淬火的高合金钢内应力变形小. 碳和合金含量高,淬透性好的高合金钢比容变形表现比较明显.只有淬火后能控制残余奥氏 体量和马氏体温表合金浓度并能运用分级等温淬火的钢种比容变形和内应力变形都较小.二:钢件的热处理裂纹: 1.纵向裂纹:由工件表面裂向心部的深度较大的裂纹.它往往发生在完全淬透的工件上.是由切 向应力引起的.2.横向裂纹和弧形裂纹:往往性生于大锻件的热处理时.断口特点是垂直于轴向方向,断口中心 附近有破坏的起点,以此为中心向四周有放射的断裂扩张痕迹.横向断裂属于热应力引起.弧 形裂纹往往发生在未淬透的或经过渗碳淬火的工件上,主要产生于工件的内部,工在尖锐棱 角及孔洞附近,即易于造成应力集中处.3.表面裂纹: 4.剥离裂纹:5.影响淬火裂纹的因素:1)钢的化学成分对淬火裂纹敏感性的影响:2)原材料缺陷对淬火时形成裂纹的影响:3)钢件结构特点对形成裂纹的影响:4)淬火前原始组织和应力状态对裂纹的影响:5)加热因素对形成裂纹的影响:6)冷却因素对形成裂纹的影响:6.防止淬火裂纹的措施:1)改善钢件结构,合理选择钢材和确定技术条件:2)妥善安排冷热加工工序和正确应用预先热处理:3)正确选择加热介质,加热时间和保温时间:4)合理选用冷却介质和冷却方法:5)其它方法:7.钢件的表面淬火裂纹形成及防止措施:8.钢件化学热处理裂纹的形成及防止措施:二:碳素钢1.中碳钢:含碳较低的钢,水冷淬火沿主导应力方向有较小的胀大变形率,随含碳量的增加变形 率增大,至含碳量达 0.45-0.5%时,胀大变形率出现峰值,增至 0.45-0.52%. 之后随含碳量增加, 胀大变形率又渐渐减小. 当含碳量增至 1.0%时,变形率接近零(饼形试样开始出现负值,杆状 试样仍有微量胀大).含碳量大于 1.2%时,变形为负值,即表现为主导应力方向上的改缩.同时 相对应方向产生少量的相应变形,含碳高的 T10, T12 钢的非主导应力方向的胀大变形量大 于中碳钢.2.分析:不论在退火状态或淬火状态,钢的比容均随含碳量的增加而增大,淬火前后的比容变化 差,也是随含碳量的增加而增大,而马氏体比容较小的中碳钢 40,50 在水冷淬透下表现为最 大的组织应力特征,而马氏体比容较大的 T10, T12 却表现为很小的组织变形特征或者是热 应力特征,其原因应从淬火冷却过程中热应力和组织应力的作用过去过程和产生塑性变形 的条件来分析:1)MS 点温度的高低,直接关系零件冷却时两种应力作用的大小,塑性变形方向和变形量的多 少.其值低时热应力作用区增大,MS 接近室温时冷却过程全部处于热应力作用下,变形特征 将全部表现为热应力型变形特征.2)MS 温度较高的钢在马氏体转变时的冷却速度较快,MS 温度低的钢在马氏体转变区的冷却 速度慢.如 5%食盐水在相当于中碳钢转变温度 300-500℃时的冷却速度为 1600℃/ S,而在相 当 T10A 马氏体转变点 180-200℃时的冷却速度降低至 350℃/S.3)MS 温度的变化,改变了马氏体转变时相邻区域奥氏体的塑性状态,从而影响了塑性变形阻 力的大小.4)低碳钢在主导应力方向的胀大变形小于中碳钢,是由于低碳钢具有较低的奥氏体稳定性.即 使是截面很小的试样在水中淬火也难得到纯马氏体组织.另一方面,由于转变产物为低碳马 氏体,比容较小,因比容变化差而产生的组织应力和应力塑性变形也较小.3.影响中碳钢及中碳合金钢淬火变形的因素:中碳钢及中碳合金钢用水淬火的变形主要表现为主导应力方向的胀大,属于组织应力变形的 特征.如圆饼,圆环以及扁方零件,水淬变形主要表现为内孔,外径或长宽,孔距方向的胀大,对 筒形零件表现为内孔,外径和高度的胀大.1)零件的截面尺寸:A:淬透零件:中碳钢水淬的最大尺寸≤15mm,40Mn,45Mn2V,40Cr 约为 30-50mm.淬透尺寸范 围之内最大变形率是 0.45-0.55%.随截面尺寸增大,淬火冷却时温差大,相变的不等时性明显, 组织应力增大,应力作用时机的可塑性条件较好,组织应力变形量增大.B:淬不透零件:当中碳钢截面尺寸为 20-25mm 时,胀大变形率减小至约 0.3%.截面尺寸增加至 30-35mm 时,水淬胀大变形率减小一对该钢最大变形率的 1/2 左右,即 0.25%左右.中碳钢 45,50 能淬透截面尺寸约是 12-15mm,钢的最大胀大变形率的截面也正好是这个尺寸.中碳低合金钢水淬时最大胀大变形率可保持到较大的截面尺寸.对 40Cr 可保持至 60-80mm.2)淬火加热温度:中碳钢的胀大变形率,是随淬火加热温度的提高而增加的.3)淬火冷却方式:A:淬火介质:可低温硝盐中淬火,可明显地减小胀大变形(淬透性差的中碳钢大部分在高温区即 开始转变为索氏体等比容变化较小的相结构).采用 150-180℃的碱浴淬火时,也能减小胀大 变形,但不如硝盐淬的效果好,其变形率一般是 0.15-0.25%,但比采用硝盐时的硬度较高.淬透 性较高的低合金钢在采用低温硝盐淬火时也能获得较小的胀大变形,但比淬透性差的中碳 钢胀大变形量大,一般为 0.1-0.15%.除硝盐外,其它各类水溶性介质防胀大变形效果均不显著.B:水冷方式:截面厚度均匀的套管,大多数先入水一端的胀大变形量要大于另一端.为防止这一 变形,可在先入水前局部预冷先入水一端,或将套筒放在环形铁板上淬火.中碳高合金钢采用 油或低温硝盐淬火冷却时,其胀大变形率比其它钢号稳定,一般胀大变形率为 0.12-0.14%. 4.回火对变形的影响:零件尺寸均随回火温度的提高而使收缩变形量增加.大多数钢号当回火后 获得 HRC35-40 的硬度时,其尺寸收缩量大约是淬火后变形量的 1/2. 5.淬火胀大变形的控制:有较大灵活性.而高碳工具钢一旦出现淬火收缩则很难恢复.1):调整淬火前加工余量.截面尺寸小于 20mm 的中碳钢套筒按零件尺寸的 0.4%,截面尺寸 20~50mm 的零件按 0.2-0.3%.零件尺寸小的中碳合金钢零件可地考虑调整量,零件尺寸大于 300mm 时可按减小 0.1-0.15%来调整.(要注意批时大小和要求的硬度高低)2)淬火前进先进行收缩处理.3)用较低的淬火加热温度加热4)用高频局部加热淬火5)淬火前进行渗碳处理6)选择胀大变形小的淬火介质淬火.7)适当缩短水冷时间并配合等温冷却,即水淬硝盐等温冷却.8)淬火前进行防止胀大的覆盖保护措施,如包铁皮,石棉.9)合理调整回火温度10)淬火前在粗加工后进行调质处理,使钢的原始组织比容增大等. 三碳素工具钢:T8A,T10A,T12A 钢制零件和模具,除截面尺寸很小的套管,薄板细轴等小零件水淬后出现胀 大变形外(主要是比容变形),大部分中小截面(大于 10mm 而小于 50mm)的模具,量规等的淬 火变形主要都表现为主导应力方向上的尺寸收缩.含碳量高的 T12A 收缩变形量最大1.淬火加热温度对 T10A,T12A 钢变形的影响:1): 淬火加热温度对截面较小的 T10A,T12A 钢试样,无论加热温度的高低各个方向上的淬火 变形均倾向于胀大,但随加热温度的升高,主导应力方向上的胀大变形率明显减小,甚至会出 现收缩,而相应方向的胀大变形率明显增加.2)截面尺寸在 12-25mm 的所有试样在相同的热处理条件下,在主导应力方向上的塑性收缩变 形率比小截面和大截面试样都大,而且收缩变形率受。