淬火变形规律及影响因素分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：一般索氏体组织淬火后的变形量小于珠光体组织，粒状珠光体的变形量小于片状珠光体。夹杂物和带状组织对淬火变形也有影响。冷速越快，则淬火应力越大，变形也相应增大。图3-30结构对称、形状简单的典型工件的淬火变形规律3.组织应力引起的变形组织应力引起的变形也产生在早期组织应力最大时刻。例如，长圆柱体组织应力引起的变形是长度伸长、直径缩小。

淬火时，工件发生的变形有两类：一类是形状发生变化，是由淬火应力引起；另一类是体积变形，是由材料相变时比体积变化所致。

1.相变引起的体积变化

工件在淬火前的组织状态一般为珠光体型，即铁素体和渗碳体的混合组织，而淬火后为马氏体型组织。由于新相与母相比体积一般不同，相变会引起比体积的变化，使工件在各个方向上均匀地膨胀或收缩，这种现象称为相变体积效应。这种变形不改变形状。表3-5列出了碳钢各相的比容，可以大致算出工件淬火时的体积变化。淬火工件中马氏体量越多，马氏体中的碳含量越高，则其体积胀大就越多；反之越小，甚至会收缩(与原始组织比较)。马氏体形成时的体积变化与马氏体碳含量之间的关系见表3-6。由此可见，钢中含碳量越高，马氏体形成时的体积膨胀量越大。

表3-5　碳钢各相的比容

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表3-6　马氏体形成时的体积变化与其碳含量的关系

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2.热应力引起的变形

热应力引起的变形发生在钢件屈服强度较低、塑性较高，而表面冷却快、工件内外温差最大的高温区。此时瞬时热应力为表面张应力、心部压应力，由于心部温度高，屈服强度比表面低得多，易于变形。因此表现为在多向压应力作用下的变形，即立方体向球形方向变化。由此导致下述结果，即尺寸较大的一方缩小，而尺寸较小的一方则胀大，如长圆柱体长度方向缩短、直径方向胀大。不同形状的钢件热应力所引起的变化规律如图3-30所示。

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图3-30　结构对称、形状简单的典型工件的淬火变形规律

3.组织应力引起的变形

组织应力引起的变形也产生在早期组织应力最大时刻。此时截面温差较大，心部温度较高，仍处于奥氏体状态，塑性较好，屈服强度较低。其瞬时组织应力是表面压应力、心部拉应力，变形表现为心部在多向拉应力作用下的拉长。由此导致的结果为在组织应力作用下，工件中尺寸较大的一方伸长，而尺寸较小的一方缩短。例如，长圆柱体组织应力引起的变形是长度伸长、直径缩小。不同形状的钢件组织应力所引起的变形规律如图3-30所示。

上述淬火变形规律，是结构对称的简单工件单纯在热应力或组织应力作用下的畸变。实际上，许多工件的结构、形状较复杂，热应力、组织应力、相变体积效应是同时存在的，这种热应力、组织应力和相变体积变化综合作用引起的变形比较复杂，要具体问题具体分析。

4.影响淬火变形的因素

1)钢的化学成分

钢的化学成分影响钢的淬透性和Ms点、马氏体比体积、奥氏体和马氏体的屈服强度、钢的导热性等，从而影响淬火应力的大小和分布，故成分不同，淬火变形趋势也不同。

碳含量越低，热应力的作用相对越大(因淬透性差，需快冷，且低碳钢马氏体比体积较小，故组织应力也较小)；碳含量高，则组织应力作用增大。

合金元素一方面使导热性降低，从而使热应力、组织应力增大，但另一方面又增大了淬透性，允许采用较慢的淬火冷速，使热应力、组织应力降低。同时，合金元素还使Ms点降低(Ms点高低对热应力影响不大)、工件强度较高，导致残留奥氏体较多、组织应力较小，故工件容易保留热应力引起的变形。

2)钢的原始组织

原始组织的比体积越大，则淬火前后比体积差越小，从而可减小体积变形。一般索氏体组织淬火后的变形量小于珠光体组织，粒状珠光体的变形量小于片状珠光体。

夹杂物和带状组织对淬火变形也有影响。由于钢中夹杂物和带状组织沿轧制方向分布，故淬火变形有方向性，即沿着夹杂物伸长方向的尺寸变化将大于垂直方向。为此，在设计零件，特别是设计工模具时要特别注意，凡是要求尺寸变化小的几何方位都应该垂直轧制方向。

3)截面尺寸及形状不同工件

截面尺寸直接影响淬火后的淬硬层深度，截面尺寸越大，淬硬层越浅，热应力对变形的作用越大；反之，截面尺寸越小，淬硬层越深，则组织应力对变形的作用越大。

淬火工件截面形状不同，淬火冷却时的冷却速度不同，这将影响淬硬层深度及淬火应力，从而影响变形。例如，工件棱角部位的冷却速度比平面部位快，而平面部位的冷却速度又比凹槽等部位冷却速度快；外表面比内表面冷却快。形状简单、规则对称的工件畸变较小，且变形较规则、均匀；形状复杂、不对称、薄厚不均的工件，畸变较大，易产生弯曲、翘曲。

4)热处理工艺

淬火加热温度高，冷却时心部、表面温差增大，热应力相应提高；同时，使淬硬层深度增大，组织应力也提高。

冷速越快，则淬火应力越大，变形也相应增大。其中，降低在Ms点以上的冷却速度可减小热应力引起的变形；降低在Ms点以下的冷却速度，可减小因剧烈的马氏体转变产生的组织应力而引起的变形(如分级淬火、等温淬火)。

5)淬火前残存应力及加热冷却不均匀对变形的影响

淬火前工件内残余应力没有消除、淬火加热装炉不当、淬火冷却不当等均会引起工件的扭曲变形。

此外，工件装炉和加热方式、工件装夹方式、工件淬火时淬入介质的方式，以及在冷却介质中的运动方式等，均对工件淬火变形有很大的影响，生产中应予以足够的重视。

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图3-31　45钢工件自820℃垂直入水淬火时的变形

5.典型淬火变形实例分析

工件结构不对称时，截面上各处的冷却速度是不均匀的。不仅各部位的淬硬层厚度不同，还会引起各部位之间更大的热应力和组织应力，产生严重弯曲、翘曲和畸变。如图3-31所示的45钢制“T”形长零件，在820℃时垂直入水淬火。图示A面为快冷面，而底面平面为慢冷面。如其变形以热应力为主导，则快冷面向上凸起。这是因为开始冷却时，快冷面先收缩，使工件在快冷面处略下凹，但由于快冷面的收缩受到了下面冷却较慢、收缩较小部分的牵制，在较高温度下快冷面金属发生不均匀的塑性拉伸，慢冷面金属出现不均匀的塑性压缩，造成快冷面伸长、慢冷面缩短的趋势，并导致工件弯曲、快冷面凸起。当继续冷却时，快冷面已处于低温，不再收缩(或很少)，强度也显著升高，不会因慢冷面的收缩而引起塑性压缩，这就导致了工件向快冷面凸起的弯曲畸变。

如果工件材料的淬透性不大，只是快冷面淬硬，慢冷面不能淬硬，在随后的冷却中，快冷面先冷至Ms点以下，发生马氏体相变，快冷面进一步伸长，慢冷面仍处于奥氏体状态，继续冷却收缩，使工件继续向快冷面凸起。当慢冷面降至Ms点以下，发生马氏体转变时，因不能完全淬透，总的组织应力和相变体积效应较小，且快冷面已形成马氏体，有很高的屈服强度，不足以引起塑性压缩而使畸变反向，因此最后的畸变仍然是快冷面凸起。

显然，如果仅考虑组织应力，则变形的方向相反，即快冷面下凹。

当工件完全淬透的情况下，应该同时考虑组织应力及热应力，要具体考虑不同温度区域的冷却速度，以及钢中碳含量。

由此得出结论：截面形状不对称零件在热应力作用下，快冷面凸起；在慢冷面未淬透情况下，变形仍是快冷面凸起，而在慢冷面能淬透的情况下，由零件淬火应力中起主导作用的应力特性而定，如组织应力起主导作用，则慢冷面将凸起。

淬火变形规律及影响因素分析

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