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金屬材料熱處理會變形，盤點8個造成熱處理變形的原因-熱處理展-工業爐展-2024第二十四屆廣州國際熱處理、工業爐展覽會-巨浪展覽—The 24th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
2024年1月22日 熱處理展-工業爐展-heat treatment expo-furnace expo |
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當前我國工業產業的發展速度不斷加快，在生產制造工作過程中對于金屬材料的性能和質量要求標準正在不斷提升，金屬材料的生產需要更加具有專業化和多樣化，同時保證金屬材料的使用范圍得到進一步擴大。
在金屬材料的制作工作過程中，通常采用熱處理技術方法來進行加工，不但可以有效轉變金屬材料內部的物質結構，同時還可以有效調整與優化金屬的外部形狀，有效提高整個金屬材料的使用效果，但是從實際生產工作情況進行分析，金屬材料熱處理工作過程中經常會受到很多外部影響因素，容易產生比較明顯的變形問題，因此需要針對這一問題進行分析，找到金屬材料熱處理工作過程中產生變形問題的相關影響因素，同時提出針對性的控制工作策略來加以解決。
體積變化是由相變時比容的改變而引起的。馬氏體的質量體積比鋼的其他組成相的質量體積要大，熱處理時鋼由其他組成相轉化為馬氏體時，必然引起體積的增加。而奧氏體的質量體積要比鋼的其他組織質量體積要小，在熱處理時由其他組成相轉變為奧氏體時，則引起體積的減小。
關于形狀的變化，歪扭或稱為畸變，主要是由于內應力或者外加應力作用的結果。在加熱、冷卻過程中，因工件各個部位的溫度有差別，相變在時間上有先后，有時發生的組織轉變也不一致，而造成內應力。這種內應力一旦超過了該溫度下材料的屈服極限，就產生塑性變形，引起形狀的改變。此外工件內的冷加工殘余應力在加熱過程中的松弛，以及由于加熱時受到較大的外加應力也會引起形狀的變化。
8個影響熱處理變形的因素
一、變形的原因
鋼的變形主要原因是鋼中存在內應力或者外部施加的應力。內應力是因溫度分布不均勻或者相變所致，殘余應力也是原因之一。外應力引起的變形主要是由于工件自重而造成的“塌陷”，在特殊情況下也應考慮碰撞被加熱的工件，或者夾持工具夾持所引起的凹陷等。變形包括彈性變形和塑性變形兩種。尺寸變化主要是基于組織轉變，故表現出同樣的膨脹和收縮，但當工件上有孔穴或者復雜形狀工件，則將導致附加的變形。如果淬火形成大量馬氏體則發生膨脹，如果產生大量殘余奧氏體則相應的要收縮。此外，回火時一般發生收縮，而出現二次硬化現象的合金鋼則發生膨脹，如果進行深冷處理，則由于殘余奧氏體的馬氏體化而進一步膨脹，這些組織的比容都隨著含碳量的增加而增大，故含碳量增加也使尺寸變化量增大。
二、淬火變形的主要發生時段
1.加熱過程：工件在加熱過程中，由于內應力逐漸釋放而產生變形。
2.保溫過程：以自重塌陷變形為主，即塌陷彎曲。
3.冷卻過程：由于不均勻冷卻和組織轉變而至變形。
三、加熱與變形
當加熱大型工件時，存在殘余應力或者加熱不均勻，均可產生變形。殘余應力主要來源于加工過程。當存在這些應力時，由于隨著溫度的升高，鋼的屈服強度逐漸下降，即使加熱很均勻，很輕微的應力也會導致變形。
一般，工件的外緣部位殘余應力較高，當溫度的上升從外部開始進行時，外緣部位變形較大，殘余應力引起的變形包括彈性變形和塑性變形兩種。
加熱時產生的熱應力和想變應力都是導致變形的原因。加熱速度越快、工件尺寸越大、截面變化越大，則加熱變形越大。熱應力取決于溫度的不均勻分布程度和溫度梯度，它們都是導致熱膨脹發生差異的原因。如果熱應力高于材料的高溫屈服點，則引起塑性變形，這種塑性變形就表現為“變形”。
相變應力主要源于相變的不等時性，即材料一部分發生相變，而其它部分還未發生相變時產生的。加熱時材料的組織轉變成奧氏體發生體積收縮時可出現塑性變形。如果材料的各部分同時發生相同的組織轉變，則不產生應力。為此，緩慢加熱可以適當降低加熱變形，最好采用預熱。
此外，由于加熱中因自重而出現“塌陷”變形的情況非常多，加熱溫度越高，加熱時間越長，“塌陷”現象越嚴重。
四、冷卻與變形
冷卻不均時將產生熱應力導致變形發生。因工件的外緣和內部存在冷卻速度差異，該熱應力是不可避免的，淬火情況下，熱應力與組織應力疊加，變形更為復雜。加之組織的不均勻、脫碳等，還會導致相變點出現差異，相變的膨脹量也有所不同。
總之，“變形”是相變應力和熱應力共同所致，但并非全部應力都消耗在變形上，而是一部分作為殘余應力存在于工件中，這種應力就是導致時效變形和時效裂紋的原因。
因冷卻而導致的變形表現為以下幾種形式：
1.件急冷初期，急冷的一側凹陷，然后轉為凸起，結果快冷的一面凸起，這種情況屬于熱應力引起的變形大于相變引起的變形。
2.由熱應力所引起的變形是鋼料趨于球形化（見圖1），而由相變應力所引起的變形則使之趨于繞線軸狀（見圖2）。因此淬火冷卻所致的變形表現為兩者的結合（圖3），按照淬火方式的不同，表現出不同的變形如圖4所示。
3. 僅對內孔部分淬火時，內孔收縮。將整個環形工件加熱整體淬火時，其外徑總是增大，而內徑則根據尺寸的不同時漲時縮，一般內徑大時，內孔漲大，內徑小時，內孔收縮
五、冷處理與變形
冷處理促進馬氏體轉變，溫度較低，產生的變形比淬火冷卻要小，但此時產生的應力較大，由于殘余應力、相變應力和熱應力等的疊加容易導致開裂。
六、回火與變形
工件在回火過程中由于內應力的均勻化、減小甚至消失，加上組織發生變化，變形趨于減小，但同時，一旦出現變形，也是很難矯正的。為了矯正這種變形，多采用加壓回火或噴丸硬化等方法。
七 、重復淬火與變形
通常情況下，一次淬火后的工件未經過中間退火而進行重復淬火，將增大變形。重復淬火引起的變形，經過重復淬火，其變形累加而趨于球狀，容易產生龜裂，但形狀相對穩定了，不再容易產生變形了，因此重復淬火前應增加中間退火，重復淬火次數應小于等于2次（不含首次淬火）。
八、殘余應力與變形
加熱過程中，在450℃左右，鋼由彈性體轉變為塑性體，因此很容易呈上升塑性變形。同時，殘余應力在約高于此溫度時也將因再結晶而消失。因此，快速加熱時，由于工件內外部存在溫度差，外部達到450℃變成了塑性區，受而內部溫度較低處存在殘余應力作用而發生變形，冷卻后，該區域就是出現變形的地方。由于實際生產過程中，很難實現均勻、緩慢加熱，淬火前進行消除應力退火是非常重要的，除了通過加熱消除應力外，對于大型零件采用振動消除應力也是有效的。
來源：中科普金，機械樂園，波義耳的筆記
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