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金属材料热处理会变形，盘点8个造成热处理变形的原因-热处理展-工业炉展-2024第二十四届广州国际热处理、工业炉展览会-巨浪展览—The 24th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
2024年1月22日 热处理展-工业炉展-heat treatment expo-furnace expo |
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当前我国工业产业的发展速度不断加快，在生产制造工作过程中对于金属材料的性能和质量要求标准正在不断提升，金属材料的生产需要更加具有专业化和多样化，同时保证金属材料的使用范围得到进一步扩大。
在金属材料的制作工作过程中，通常采用热处理技术方法来进行加工，不但可以有效转变金属材料内部的物质结构，同时还可以有效调整与优化金属的外部形状，有效提高整个金属材料的使用效果，但是从实际生产工作情况进行分析，金属材料热处理工作过程中经常会受到很多外部影响因素，容易产生比较明显的变形问题，因此需要针对这一问题进行分析，找到金属材料热处理工作过程中产生变形问题的相关影响因素，同时提出针对性的控制工作策略来加以解决。
体积变化是由相变时比容的改变而引起的。马氏体的质量体积比钢的其他组成相的质量体积要大，热处理时钢由其他组成相转化为马氏体时，必然引起体积的增加。而奥氏体的质量体积要比钢的其他组织质量体积要小，在热处理时由其他组成相转变为奥氏体时，则引起体积的减小。
关于形状的变化，歪扭或称为畸变，主要是由于内应力或者外加应力作用的结果。在加热、冷却过程中，因工件各个部位的温度有差别，相变在时间上有先后，有时发生的组织转变也不一致，而造成内应力。这种内应力一旦超过了该温度下材料的屈服极限，就产生塑性变形，引起形状的改变。此外工件内的冷加工残余应力在加热过程中的松弛，以及由于加热时受到较大的外加应力也会引起形状的变化。
8个影响热处理变形的因素
一、变形的原因
钢的变形主要原因是钢中存在内应力或者外部施加的应力。内应力是因温度分布不均匀或者相变所致，残余应力也是原因之一。外应力引起的变形主要是由于工件自重而造成的“塌陷”，在特殊情况下也应考虑碰撞被加热的工件，或者夹持工具夹持所引起的凹陷等。变形包括弹性变形和塑性变形两种。尺寸变化主要是基于组织转变，故表现出同样的膨胀和收缩，但当工件上有孔穴或者复杂形状工件，则将导致附加的变形。如果淬火形成大量马氏体则发生膨胀，如果产生大量残余奥氏体则相应的要收缩。此外，回火时一般发生收缩，而出现二次硬化现象的合金钢则发生膨胀，如果进行深冷处理，则由于残余奥氏体的马氏体化而进一步膨胀，这些组织的比容都随着含碳量的增加而增大，故含碳量增加也使尺寸变化量增大。
二、淬火变形的主要发生时段
1.加热过程：工件在加热过程中，由于内应力逐渐释放而产生变形。
2.保温过程：以自重塌陷变形为主，即塌陷弯曲。
3.冷却过程：由于不均匀冷却和组织转变而至变形。
三、加热与变形
当加热大型工件时，存在残余应力或者加热不均匀，均可产生变形。残余应力主要来源于加工过程。当存在这些应力时，由于随着温度的升高，钢的屈服强度逐渐下降，即使加热很均匀，很轻微的应力也会导致变形。
一般，工件的外缘部位残余应力较高，当温度的上升从外部开始进行时，外缘部位变形较大，残余应力引起的变形包括弹性变形和塑性变形两种。
加热时产生的热应力和想变应力都是导致变形的原因。加热速度越快、工件尺寸越大、截面变化越大，则加热变形越大。热应力取决于温度的不均匀分布程度和温度梯度，它们都是导致热膨胀发生差异的原因。如果热应力高于材料的高温屈服点，则引起塑性变形，这种塑性变形就表现为“变形”。
相变应力主要源于相变的不等时性，即材料一部分发生相变，而其它部分还未发生相变时产生的。加热时材料的组织转变成奥氏体发生体积收缩时可出现塑性变形。如果材料的各部分同时发生相同的组织转变，则不产生应力。为此，缓慢加热可以适当降低加热变形，最好采用预热。
此外，由于加热中因自重而出现“塌陷”变形的情况非常多，加热温度越高，加热时间越长，“塌陷”现象越严重。
四、冷却与变形
冷却不均时将产生热应力导致变形发生。因工件的外缘和内部存在冷却速度差异，该热应力是不可避免的，淬火情况下，热应力与组织应力叠加，变形更为复杂。加之组织的不均匀、脱碳等，还会导致相变点出现差异，相变的膨胀量也有所不同。
总之，“变形”是相变应力和热应力共同所致，但并非全部应力都消耗在变形上，而是一部分作为残余应力存在于工件中，这种应力就是导致时效变形和时效裂纹的原因。
因冷却而导致的变形表现为以下几种形式：
1.件急冷初期，急冷的一侧凹陷，然后转为凸起，结果快冷的一面凸起，这种情况属于热应力引起的变形大于相变引起的变形。
2.由热应力所引起的变形是钢料趋于球形化（见图1），而由相变应力所引起的变形则使之趋于绕线轴状（见图2）。因此淬火冷却所致的变形表现为两者的结合（图3），按照淬火方式的不同，表现出不同的变形如图4所示。
3. 仅对内孔部分淬火时，内孔收缩。将整个环形工件加热整体淬火时，其外径总是增大，而内径则根据尺寸的不同时涨时缩，一般内径大时，内孔涨大，内径小时，内孔收缩
五、冷处理与变形
冷处理促进马氏体转变，温度较低，产生的变形比淬火冷却要小，但此时产生的应力较大，由于残余应力、相变应力和热应力等的叠加容易导致开裂。
六、回火与变形
工件在回火过程中由于内应力的均匀化、减小甚至消失，加上组织发生变化，变形趋于减小，但同时，一旦出现变形，也是很难矫正的。为了矫正这种变形，多采用加压回火或喷丸硬化等方法。
七 、重复淬火与变形
通常情况下，一次淬火后的工件未经过中间退火而进行重复淬火，将增大变形。重复淬火引起的变形，经过重复淬火，其变形累加而趋于球状，容易产生龟裂，但形状相对稳定了，不再容易产生变形了，因此重复淬火前应增加中间退火，重复淬火次数应小于等于2次（不含首次淬火）。
八、残余应力与变形
加热过程中，在450℃左右，钢由弹性体转变为塑性体，因此很容易呈上升塑性变形。同时，残余应力在约高于此温度时也将因再结晶而消失。因此，快速加热时，由于工件内外部存在温度差，外部达到450℃变成了塑性区，受而内部温度较低处存在残余应力作用而发生变形，冷却后，该区域就是出现变形的地方。由于实际生产过程中，很难实现均匀、缓慢加热，淬火前进行消除应力退火是非常重要的，除了通过加热消除应力外，对于大型零件采用振动消除应力也是有效的。
来源：中科普金，机械乐园，波义耳的笔记
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