铍青铜的热处理及热处理的应力和影响.docx

铍青铜的热处理 铍青铜是一种用途极广的沉淀硬化型合金经固溶及时效处理后，强 度可达 1250-1500MPa（1250-1500 公斤）其热处理特点是：固 溶处理后具有良好的塑性，可进行冷加工变形但再进行时效处理后， 却具有极好的弹性极限，同时硬度、强度也得到提高1） 铍青铜的固溶处理一般固溶处理的加热温度在780-820°C之间，对用作弹性元件的材 料，采用760-780C，主要是防止晶粒粗大影响强度固溶处理炉 温均匀度应严格控制在±5C保温时间一般可按1小时/25mm计 算，铍青铜在空气或氧化性气氛中进行固溶加热处理时，表面会形成 氧化膜虽然对时效强化后的力学性能影响不大，但会影响其冷加工 时工模具的使用寿命为避免氧化应在真空炉或氨分解、惰性气体、 还原性气氛（如氢气、一氧化碳等）中加热，从而获得光亮的热处理 效果此外，还要注意尽量缩短转移时间（此淬水时），否则会影响 时效后的机械性能薄形材料不得超过3秒,一般零件不超过5 秒 淬火介质一般采用水（无加热的要求），当然形状复杂的零件为了避 免变形也可采用油2） 铍青铜的时效处理铍青铜的时效温度与Be的含量有关，含Be小于2.1%的合金均宜 进行时效处理。

对于 Be 大于 1.7%的合金，最佳时效温度为 300-330C，保温时间1-3小时（根据零件形状及厚度）Be低于 0.5%的高导电性电极合金，由于溶点升高，最佳时效温度为450-480°C，保温时间1-3小时近年来还发展出了双级和多级时效，即先在高温短时时效，而后在低温下长时间保温时效，这样做的 优点是性能提高但变形量减小为了提高铍青铜时效后的尺寸精度， 可采用夹具夹持进行时效，有时还可采用两段分开时效处理3） 铍青铜的去应力处理铍青铜去应力退火温度为150-200C，保温时间1-1・5小时，可用 于消除因金属切削加工、校直处理、冷成形等产生的残余应力，稳定 零件在长期使用时的形状及尺寸精度热处理应力及其影响热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力 ,对工件的形 状,&127;尺寸和性能都有极为重要的影响当它超过材料的屈服强 度时,&127;便引起工件的变形 ,超过材料的强度极限时就会使工件 开裂,这是它有害的一面,应当减少和消除但在一定条件下控制应力 使之合理分布 ,就可以提高零件的机械性能和使用寿命 ,变有害为有 利分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律 ,使之合理分布对 提高产品质量有着深远的实际意义。

例如关于表层残余压应力的合理 分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视一、钢的热处理应力 工件在加热和冷却过程中,由于表层和心部的冷却速度和时间的不一 致,形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力,即热应力 在热应力的作用下 ,由于表层开始温度低于心部 ,收缩也大于心部而 使心部受拉,当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进 行而使表层受压心部受拉即在热应力的作用下最终使工件表层受压 而心部受拉这种现象受到冷却速度,材料成分和热处理工艺等因素 的影响当冷却速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷却过程中在热应 力作用下产生的不均匀塑性变形愈大,最后形成的残余应力就愈大 另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变 时,因比容的增大会伴随工件体积的膨胀 ,&127;工件各部位先后相 变，造成体积长大不一致而产生组织应力组织应力变化的最终结果 是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反组织应力的大小 与工件在马氏体相变区的冷却速度,形状，材料的化学成分等因素有 关实践证明,任何工件在热处理过程中,&127;只要有相变,热应力和组 织应力都会发生 &127;只不过热应力在组织转变以前就已经产生 了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的,在整个冷却过程中,热 应力与组织应力综合作用的结果 ,&127;就是工件中实际存在的应 力。

这两种应力综合作用的结果是十分复杂的,受着许多因素的影响, 如成分、形状、热处理工艺等就其发展过程来说只有两种类型,即 热应力和组织应力,作用方向相反时二者抵消 ,作用方向相同时二者 相互迭加不管是相互抵消还是相互迭加,两个应力应有一个占主导 因素,热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉 ,表面受压 &127;组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉二、热处理应力对淬火裂纹的影响存在于淬火件不同部位上能引起应力集中的因素 （包括冶金缺陷在 内）,对淬火裂纹的产生都有促进作用 ,但只有在拉应力场内 （&127; 尤其是在最大拉应力下 ）才会表现出来,&127;若在压应力场内并无 促裂作用淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素 ,也 是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素为了达到淬火 的目的，通常必须加速零件在高温段内的冷却速度,并使之超过钢的 临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织就残余应力而论,这样做由 于能增加抵消组织应力作用的热应力值,故能减少工件表面上的拉应 力而达到抑制纵裂的目的其效果将随高温冷却速度的加快而增大 而且,在能淬透的情况下,截面尺寸越大的工件,虽然实际冷却速度更 缓,开裂的危险性却反而愈大。

这一切都是由于这类钢的热应力随尺 寸的增大实际冷却速度减慢 ,热应力减小 ,&127;组织应力随尺寸的 增大而增加,最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面的作 用特点造成的并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭对这类 钢件而言,在正常条件下淬火的高淬透性钢件中只能形成纵裂避免 淬裂的可靠原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性仅 仅实行马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的形成一般情况下 只能产生在非淬透性件中的弧裂,虽以整体快速冷却为必要的形成条 件，可是它的真正形成原因,却不在快速冷却（包括马氏体转变区内） 本身,而是淬火件局部位置（由几何结构决定）,在高温临界温度区内的 冷却速度显著减缓,因而没有淬硬所致&127;产生在大型非淬透性 件中的横断和纵劈,是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬 火件中心 &127;,而在淬火件末淬硬的截面中心处 ,首先形成裂纹并 由内往外扩展而造成的为了避免这类裂纹产生，往往使用水--油双 液淬火工艺在此工艺中实施高温段内的快速冷却,目的仅仅在于确 保外层金属得到马氏体组织 ,&127;而从内应力的角度来看 ,这时快 冷有害无益其次,冷却后期缓冷的目的,主要不是为了降低马氏体相 变的膨胀速度和组织应力值,而在于尽量减小截面温差和截面中心部 位金属的收缩速度,从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。

三、残余压应力对工件的影响 渗碳表面强化作为提高工件的疲劳强度的方法应用得很广泛的原因 一方面是由于它能有效的增加工件表面的强度和硬度，提高工件的耐 磨性，另一方面是渗碳能有效的改善工件的应力分布,在工件表面层 获得较大的残余压应力,&127;提高工件的疲劳强度如果在渗碳后 再进行等温淬火将会增加表层残余压应力,使疲劳强度得到进一步的 提高有人对35SiMn2MoV钢渗碳后进行等温淬火与渗碳后淬火低 温回火的残余应力进行过测试其结果如表1热处理工艺残余应力值（kg/mm2）渗碳后 880-900度盐浴加热，260度等温40分钟-65渗碳后 880-900度盐浴加热淬火，260度等温 90分钟-18渗碳后 880-900 度盐浴加热，260 度等温 40 分钟，260 度回火90 分钟-38表 1.35SiMn2MoV 钢渗碳等温淬火与渗碳低温回火后的残余应力 值从表 1 的测试结果可以看出等温淬火比通常的淬火低温回火工艺具 有更高的表面残余压应力等温淬火后即使进行低温回火 ,其表面残 余压应力，也比淬火后低温回火高因此可以得出这样一个结论 ,即 渗碳后等温淬火比通常的渗碳淬火低温回火获得的表面残余压应力 更高,从表面层残余压应力对疲劳抗力的有利影响的观点来看，渗碳 等温淬火工艺是提高渗碳件疲劳强度的有效方法。

渗碳淬火工艺为什 么能获得表层残余压应力?渗碳等温淬火为什么能获得更大的表层残 余压应力?其主要原因有两个：一个原因是表层高碳马氏体比容比心 部低碳马氏体的比容大 ,淬火后表层体积膨胀大 ,而心部低碳马氏体 体积膨胀小,制约了表层的自由膨胀 ,&127;造成表层受压心部受拉 的应力状态而另一个更重要的原因是高碳过冷奥氏体向马氏体转变 的开始转变温度（Ms），比心部含碳量低的过冷奥氏体向马氏体转变 的开始温度（Ms）低这就是说在淬火过程中往往是心部首先产生 马氏体转变引起心部体积膨胀 ,并获得强化 ,而表面还末冷却到其对 应的马氏体开始转变点（ Ms） ,故仍处于过冷奥氏体状态,&127;具 有良好的塑性 ,不会对心部马氏体转变的体积膨胀起严重的压制作 用随着淬火冷却温度的不断下降使表层温度降到该处的（Ms）点 以下,表层产生马氏体转变,引起表层体积的膨胀但心部此时早已转 变为马氏体而强化,所以心部对表层的体积膨胀将会起很大的压制作 用,使表层获得残余压应力 &127;而在渗碳后进行等温淬火时，当 等温温度在渗碳层的马氏体开始转变温度（Ms）以上,心部的马氏体 开始转变温度（& 127;Ms）点以下的适当温度等温淬火，比连续冷却 淬火更能保证这种转变的先后顺序的特点（&127;即保证表层马氏体 转变仅仅产生于等温后的冷却过程中）。

&127;当然渗碳后等温淬火 的等温温度和等温时间对表层残余应力的大小有很大的影响有人对 35SiMn2MoV钢试样渗碳后在260°C和320°C等温40& 127;分钟 后的表面残余应力进行过测试，其结果如表2由表2可知在260C 行动等温比在320C等温的表面残余应力要高出一倍多表235SiMn2MoV钢不同等温温度的表面残余应力 可见表面残余应力状态对渗碳等温淬火的等温温度是很敏感的不仅 等温温度对表面残余压应力状态有影响,而且等温时间也有一定的影 响有人对35SiMn2V钢在310C等温2分钟,10分钟,90分钟的 残余应力进行过测试2分钟后残余压应力为-20kg/mm,10分钟后 为-60kg/mm,60分钟后为-80kg/mm,60分钟后再延长等温时间 残余应力变化不大从上面的讨论表明,渗碳层与心部马氏体转变的先后顺序对表层残余 应力的大小有重要影响渗碳后的等温淬火对进一步提高零件的疲劳 寿命具有普遍意义此外能降低表层马氏体开始转变温度（Ms）点 的表面化学热处理如渗碳、氮化、氰化等都为造成表层残余压应力提 供了条件,如高碳钢的氮化--淬火工艺,由于表层,&127;氮含量的提 高而降低了表层马氏体开始转变点（Ms），淬火后获得了较高的表层 残余压应力使疲劳寿命得到提高。

又如氰化工艺往往比渗碳具有更高 的疲劳强度和使用寿命,也是因氮含量的增加可获得比渗碳更高的表 面残余压应力之故此外,&127;从获得表层残余压应力的合理分布 的观点来看,单一的表面强化工艺不容易获得理想的表层残余压应力 分布,而复合的表面强化工艺则可以有效的改善表层残余应力的分 布如渗碳淬火的残余应力一般在表面压应力较低,最大压应力则出 现在离表面一定深度处,而且残余压力层较厚氮化后的表面残余压 应力很高 ,但残余压应力层很溥 ,往里急剧下降如果采用渗碳 --&127;氮化复合强化工艺,则可获得更合理的应力分布状态127; 因此表面复合强化工艺,如渗碳--氮化,渗碳--&127;高频淬火等,都 是值得重视的方向根据上述讨论可得出以下结论;1 、热处理过程中产生的应力是不可避免的 ,而且往往是有害的 &127;但我们可以控制热处理工艺尽量使应力分布合理,就可将其 有害程度降低到最低限度,甚至变有害为有利2、当热应力占主导地位时应力分布为心部受拉表面受压,当组织。