热处理变形的机理

houette

钢铁零件经过热处理，如要完成加热后得到奥氏体组织，然后根据零件的具体技术要求选择合理的淬火介质冷却，得到要求的组织和获得理想的力学性能等，因此零件在热处理过程中要受到加热和冷却的双重作用。在冷却过程中发生组织转变时，零件受到热应力和组织应力的综合作用，必然要发生零件的形状和体积的变化。其中变形为热处理过程中常见的疵病，它是无法避免的，只能采取必要的措施和合理的方法，减小零件在热处理过程中的变形，并尽可能地使其变形量控制在要求的范围内，最大限度地减少零件的变形和防止开裂，这也是热处理工作者的首要任务。在实际零件的热处理中，要充分考虑影响到变形的内在和外在因素，经过反复的工艺验证才能确定最佳的热处理工艺参数。

钢件在热处理过程中，发生体积和形状的变化，称为热处理变形。将零件加热到较高温度，然后进行快速冷却，就会产生产内应力，同时零件的形状、材料成分、机械加工和冷成形过程、工件自重以及摆放方式也会影响零件的变形，因此零件在热处理过程中的变形是最常见的缺陷之一。淬火变形涉及到三个阶段：加热过程（基于消除内应力）；保温（零件的自重，即下垂弯曲）；冷却（不均匀的冷却和相变）。三个阶段应力相互叠加将导致零件最终的淬火应变，前面已经对热处理内应力产生的原因进行了介绍，这里不再赘述。零件的变形按其特点及产生的原因通常分为体积变化和形状变化两类。

零件热处理后的变形形式通常有两种，即零件的体积变形和形状的变化，下面分别加以介绍。

（1）体积的变化

   零件经热处理后其金相组织发生了改变，各种组织的比体积差异会引起零件呈比例的胀缩，体积变化不会影响该零件原来的形状。体积变化是由以下两个原因造成的。
① 热胀冷缩引起的体积变化
零件在加热和冷却过程中，内外各部分的温度存在差异，故引起热胀冷缩的变化量不同。由于热处理前后零件的温度相同，因此热胀冷缩的作用对热处理后体积变化并无显著影响。
② 组织转变引起体积变化

钢铁零件在热处理过程中，必然发生金相组织的转变。由于零件内外组织转变的不同步，获得的组织不同，而各种组织的比体积存在差异，此时产生的应力称为组织应力。零件淬火时冷却速度快，故组织转变前后比体积差距较大，各种组织的晶体结构和晶格常数不同。尤其是钢自淬火过程产生的体积变化最为明显，淬火后马氏体的比体积增大，而残余奥氏体使比容体积小，因此淬火体积变化直接与残余奥氏体的数量和未溶解的渗碳体数量有关。

零件热处理前后组织变化必然引起体积的变化，这是热处理后零件体积变化的主要原因。需要指出，影响淬火组织状态的因素，如钢的化学成分、原始组织状态、是否淬透、加热温度的高低和冷却方法等，均对体积的变化有直接的影响。

零件的体积变形与各相组织转变时成分和含量有关，而与热处理应力作用的大小无关。体积变化的大小与下列因素和条件有关：淬火前后组织比体积差越大，体积的变形越大；提高淬火温度，奥氏体中合金元素的含量提高，使马氏体的比体积增大，残余奥氏体增加；全部淬透后的零件体积变形最大，而线形减小；采用分级、等温的冷却方法提高残余奥氏体的数量，可减少体积变形量；除回火促使残余奥氏体转变外，其他的回火形式都使零件的体积尺寸收缩。

（2）形状的变化

热处理时零件形状的变化是由于内应力和外加应力综合作用形成的，在加热和冷却过程中零件的各部分温度有差异，热胀冷缩不均和组织转变不同时，内部就产生了内应力。热胀冷缩不均匀引起的内应力称为热应力，而组织转变不同时引起的为组织应力。形状复杂、截面尺寸相差大、尺寸大的零件产生的内应力更大，当内应力超过了材料的屈服强度，就要发生塑性变形，因此引起零件形状变化。当达到材料的断裂强度，将导致零件的开裂。零件的自重引起下垂和应力，引起形状的走形、翘曲、弯曲、扭曲等非正常变形。零件在热处理过程中产生的变形为体积变化和形状变化，最终是两种应力综合作用的结果。

因此，认真分析零件变形的规律，对控制和减少零件的变形至关重要。因此零件的热处理变形是热应力和组织应力共同作用的结果，体积的变化归因于零件相变前后体积差引起零件的体积的突变，而形状的变化是热处理过程中各种复杂应力综合作用下不均匀的塑性变形，二者的作用机理不同。但二者一般是同时存在于零件热处理过程中的，对于某一零件和相对固定的热处理工艺来说，是以一种变形为主的。