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1、毕业论文题目：对热处理过程总变形及开裂问题的探讨学生姓名：陈 浩系别：机械工程系专业年级：10级预备技师模具制造与设计指导老师：陈 本 锋目录引言4一 热处理变形记开裂的原因21 热应力及其引起的变形52 组织应力及其引起的变形6二 影响变形及开裂的因素61. 刚的化学成分62. 刚的淬透性73. 刚的原始组织74. 淬火介质75. 零件的几何尺寸86. 淬火的方法8三 减少变形及开裂的措施81. 合理的选用钢材82. 合理的选择加热温度83. 合理锻造及预先热处理84. 合理设计工件的结构尺寸95. 采用合理的热处理工艺96. 采用正确的淬火操作方法107. 预备合理的加工余量108. 合理
2、的安排工艺路线109. 修改技术要求1110. 按变形频率调节加工尺寸12结束语13参考文献14引言变形是指零件在热处理时引起的形状和尺寸的偏差。变形是热处理较难解决的问题，要完全不变形时是不可能的，一般是把变形量控制在一定范围内。超过变形量时，只能用校正法校正。开裂是绝对要避免的，因为开裂零件无法挽救，只能当报废处理，这既浪费了材料与加工费用，又影响了生产，给国家造成损失。因此，分析研究金属热处理变形、开裂的原因，掌握其规律性，并找出减小变形、防止开裂的技术措施，具有十分重要的意义。对热处理过程中变形及开裂问题的探讨摘要：在热处理过程中变形与开裂是常见而又比较难解决的问题，对热处理变形的规律
3、的复杂性我们还没有彻底的认识和掌握。论文分析了热处理变形、开裂的原因，影响变形的因素以及减少热处理变形、防止开裂的一系列技术措施。关键词：热处理； 变形； 开裂； 热应力； 组织应力一、 热处理变形、开裂的原因工件的变形包括尺寸变化和形状变化二种。不论哪种变形，主要都是由于热处理时，工件内部产生的内应力所造成的，根据内应力的形成原因不同，可以分为热应力和组织应力。工件的变形就是这二种应力综合影响的结果，当应力大于屈服极限时就会发生永久变形，如果大于材料的强度工件就会开裂，下面对二种应力分别加以研究。1、热应力引起的变形刚件在加热和冷却过程中，将发生热胀冷缩的体积变化以及因组织转变时新旧相比容差
4、而产生的体积改变。零件加热到淬火温度时，屈服强度明显降低，塑性则大大提高。当应力超过屈服强度时，就会产生塑性变形，如果造成应力集中，并超过了材料的强度极限，就会使零件淬裂。导热性很差的高碳合金钢，如合金模具刚Cr12MoV、高速钢W18Cr4V 之类的工具钢、淬火加热温度很高，如不采用多次预热和缓慢加热，不但会造成零件的变形，而且会导致零件开裂而报废，此外，铸钢件和锻件毛胚，如果表层存在着一层脱碳层，由于表层和心部导热性能不同，在淬火加热较快时，也会产生热应力而引起变形。冷却时由于温差大，热应力是造成零件变形的主要原因。及冷热应力的二个特点：1零件表面产生压力，心部产生热效应。2大型轴类零件心
5、部的轴向参与拉应力特别大。对工件的影响：大型轴类零件如轧钢，因冷却后轴向参与拉应力很大，再加上心部往往存在气孔、夹杂、锻造裂纹等缺陷，故容易造成横向开裂。对于形状简单的小轴类零件，新产生的表面压应力可以提高其抗疲劳能力。实践证明，热应力引起工件变形的特点是和物体内部收到高的流体静压力的结果相似，它使平面变成凸面，直角变成钝角，长的方向变短，短的方向变长。如图1图1 框型铸件热应力的形成过程2、组织应力引起的变形如果金属制品在加热和冷却时发生相变，由于新旧相之间存在着结构和比容差异，制品各部分又难以同时发生相变，或者各部分的相变产物有所不同，也会引起应力，这种因组织结构转变不均匀而产生的应力称为
6、组织应力。制品在加热或冷却过程中发生的相变总是先从表层开始的，然后向心部发展，若相变时体积增大，先转变的表层膨胀将受到心部牵制。结果表层受压应力，心部受拉压力。若相变时体积变小，则表层为拉应力而心部为压应力。例如刚件淬火时，表层先发生马氏体转变，由于马氏体的比容大于母体奥氏体的比容，因而表面膨胀。但这种膨胀会受到心部的牵制，故表层受压应力，心部受拉应力，当心部也冷至马氏体转变点以下，心部发生马氏体转变而膨胀，但又受到表层的牵制，故此时心部受压应力，而表层受拉应力。组织应力有二个特点：1工件表面受拉应力，心部受拉应力。2靠近表面层，切向拉应力大于轴向拉应力。组织应力引起工件变形的特点与热应力相反
7、，使平面变凹，直角变成钝角，长的方向变长，短的方向变短。一句话使尖角变得突出，特别指出的是，试样表面的切向拉应力很大，较大的切向拉应力往往是零件产生纵向裂纹的主要原因。淬火零件的变形时热应力和组织应力综合作用的结果。除了内应力外，零件的变形还要原材料成分、工件的形状和介质冷却速度的影响，实际情况复杂很多，因此在解决实际问题时，要全面分析，指出起主导作用的是热应力还是组织应力，以便判定变形的趋势或裂纹产生的可能性，并采取各种措施予以控制或防止。二、影响变形及开裂的因素在实际生产中，影响热处理变形的因素有很多，其中主要包括钢的原始组织、化学成分、零件尺寸和形状、淬火介质的选择、淬火工艺钢的淬透型等
8、。1、钢的化学成分钢的化学成分中以含碳量对淬火变形的影响最大。随着钢中含碳量的升高，马氏体的质量体积增大，因组织转变而引起变化及因相变应力而引起的淬火变形便越大，但高碳钢由于残留奥氏体量的增加，抵消了一部分马氏体转变的膨胀作用，而体积变化相对减少。随着含碳量的增加，钢中马氏体转变点的温度也降低，这是开始马氏体转变，钢已处于降低温度，难以塑性变形，这也导致相变应力变形减小，热应力变形明显。概括起来可以得到以下结论：低碳钢中，由于淬火时质量变化较小，特别是淬透性差，故其淬火变形常以热应力为主，中碳钢中，因淬火时质量体积变化较大，淬透性也较低碳钢大，且MS点还比较高，故当零件尺寸较小淬火变形将以相变
9、应力变形为主；当然随着零件尺寸增大，硬度层深度减小，将会逐渐 过渡到以热应力为主。在高碳钢中，由于MS点较低，残留奥氏体较多，故淬火变形主要是热应力变形。合金元素太多会明显提高钢的淬透性，使MS点下降，残留奥氏体量增多，因此减少了相变应力；同时合金元素提高了钢的淬透性，可以在缓和的介质中淬火，减少了工件的热应力；另外由于合金元素的加入，提高了钢的屈服强度，因此显著得减少了淬火应力引起的变形。2、钢的淬透性钢的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特征。它是反映钢在淬火时，奥氏体转变为马氏体的难易程度。钢的淬透性与钢的临界冷却速度有密切的关系，临界冷却速度越低，钢的淬透性越好，降低
10、临界冷却速度的主要因素是钢的化学成分，例如合金钢的淬透性比碳钢好。淬透性好的钢，在淬火冷却时刻采用比较缓和的淬火介质，减少工件淬火的变形及开裂倾向。因此对于重要的、形状复杂的、大截面的零件应选择淬透性好的合金钢，经淬火及回火处理，既能获得所需要的力学性能，又能减少变形及开裂。3、钢的原始组织零件淬火前的组织状态对零件的淬火质量有很大的影响，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等，这些钢在锻造加工以后，必须进行球化退火，将片状珠光体变为球状珠光体，在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件的变形和开裂倾向小。另外偏析现象和网状组织，对淬火后工件的变形特别是对长轴的弯曲变形影响很大。材料的本质晶粒度
11、越细，屈服强度越高，对变形的抗力越大，工件淬火后的变形量就相应减小。4、淬火介质根据碳钢的等温转变图可知，为了抑制非马氏体转变的产生，在c曲线“鼻子”附近（550左右）需要快冷，而在650以上或400以下温度范围，并不是需要快冷，特别在Ms线附近发生马氏体转变时需要缓慢冷却，为使马氏体转变时产生的热应力和组织应力最小，以防淬火变形和开裂。图2 C曲线与淬火操作示意图一般认为，淬火介质300时的冷却速度对变形的影响是关键的，应根据钢的淬透性、零件截面尺寸和表面粗糙度，合理选用淬火介质。常用的淬火介质有水、油、以及盐类水溶液、熔盐、空气等。水的冷却特性不理想，在要求快冷区间650400时，水的冷却
12、速度很小，大约200/s，使零件淬火变形及开裂倾向最大。一般情况下碳钢常采用淬火烈度大的水或水溶液作为淬火介质；而合金钢一般用油作为淬火介质。因此，选择淬火介质的正确原则是，在保证淬硬的前提下，尽量选择淬火烈度小的淬火介质，以减小淬火变形及开裂。5、零件的几何形状尺寸从热处理工艺角度出发，零件设计最好采用对称结构，尽量避免尖角，要求截面过渡均匀。必要时可开工艺用槽。如镗杆上开有二条对称的槽，其中一条是为减小热处理变形而设计的，形状较复杂的零件，如零件的尖角处，由于应力集中，更容易产生淬火裂纹。因此，必须合理选择材料，避免淬火裂纹产生。6淬火的方法为了使淬火时最大限度得减少变形和避免开裂，除了正
13、确地进行加热及合理选择淬火介质外，还应根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法。例如：双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、强烈淬火等。双介质淬火的内应力小，变形及开裂少，所以主要应用于碳素工具钢制造的易开裂的工件，如丝锥等；贝氏体等温淬火可以显著得减少淬火应力和淬火变形，并能基本上避免工件的淬火开裂，因此，各种形状复杂的模具，成型刀具采用贝氏体等温淬火；强烈淬火技术是采用高速搅拌或高压喷淬使试件在马氏体转变区域进行快速而均匀的冷却，在试件整个表面形成一个均匀的具有较高压应力的硬壳。避免了常规淬火在马氏体转变区域进行冷却而产生畸变过大和开裂的问题。总之，热处理变形及开裂的影
14、响因素是十分复杂的问题，在制定淬火热处理工艺时，应充分考虑工件的形状、钢中的碳含量，根据工件所要求的力学性能，合理选择淬火方法及冷却介质，防止变形及开裂，提高产品质量。三、减少变形及开裂的措施1、合理的选用钢材对于形状复杂、截面尺寸相差悬殊的工件，最好选用高淬透性的合金钢。以便在缓冷介质中冷却时，能减少应力与变形。对形状复杂且精度要求较高的模具、量具等，可以用微变型钢，用等温淬火或分级淬火来减小变形。对于易变形、淬裂的零件选用合金钢，对于硬度要求不高的结构件，在满足硬度要求的情况下，尽可能的选用碳质量分数较小的碳钢以减小变形。2、合理的选择加热温度在保证淬钢的前提下，一般应该尽量选择低一些的淬
15、火温度。但对于一些高碳合金钢工件，可以通过适当提高淬火温度来降低Ms 点，增大残留奥氏体量，以控制淬火变形。另外，对厚度较大的高碳钢工件，也可以适当提高其淬火温度来防止弧状裂纹。3、合理锻造及预先热处理钢中白点，锁孔可能成为淬火裂纹的根源。原材料中碳化物偏析也易使工件发生开裂，因此，必须严格控制原材料的质量。淬火前的原始组织对淬火变形有很大的影响。尤其是对高碳工具钢必须进行合理的锻造以消除网状碳化物及偏析，尽可能使其均匀分布。对变形要求较严格的工件，在加工过程中，要进行去应力退火。对于形状复杂的零件在淬火前进行退火、正火或调质处理，以减小或避免零件变形、开裂。铸件的预备热处理，一般是在锻造后立
16、即进行退火或正火。依据不同的情况。采用不同的预备热处理方法：（1）低碳钢应该选用正火处理，以获得均匀的铁素体加细片状的珠光体组织。（2）中碳钢及合金钢一般采用完全退火或等温球化退火，获得铁素体加片状或球状珠光体组织。（3）如果仅为了消除铸造应力，则采用去应力退火即可。（4）较大的大型铸件，往往会出现枝晶偏析，这是可以采用均匀退火处理。4、合理设计工件的结构尺寸工件结果尽量对称，减少截面的厚薄悬殊，避免尖角和薄边交界处应该平滑过渡。（1）避免尖角、尖棱零件尖角、尖棱造成淬火应力集中，往往会导致淬火裂纹，故要将尖角、尖棱加工成圆角、倒角以避免开裂。（2）、避免厚薄悬殊厚薄悬殊的零件因为淬火冷却不均
17、匀，所以变形，开裂倾向较大可采取开工艺孔、加厚零件太薄的部分、合理安排空洞位置或不通孔为通孔等办法。（3）、采用封闭、对称结构开口或不对称结构的零件淬火时应力分布不均匀，已引起变形，应该为封闭结构或对称结构。封闭结构如图3所示弹簧夹头，热处理后在切开槽口。如镗杆截面，要求氮化变形极小。原设计在镗杆一侧开槽，结构变形较大。后修改设计。在另一侧也开槽，使零件形状呈对称结构，结构减小了镗杆在热处理时的变形。图3 弹簧夹头（4）、采用组合结构某些有淬裂倾向而各部分工件要求不同的零件或形状复杂的零件，可以采用组合结构或者镶拼结构，不仅减小热处理变形、防止开裂，而且方便维修。5、采用合理的热处理工艺（1）
18、、采用一次或多次预热为了减小热应力应缓慢加热以减小工件的温差，尤其对形状复杂或导热性的高合金钢制工件模具，采用一次或多次预热，可减小变形、防止开裂。此外，适当降低淬火温度或采用预冷淬火，都有利减小变形。（2）采用分级淬火或等温淬火采用分级淬火或等温淬火，可同时减小热应力和组织应力，将变形降低到最小程度。分级淬火、等温淬火之适应与薄壁小件的生产。6、采用正确的淬火操作方法正确选择工件淬入介质的方式，保证工件得到最均匀的冷却并沿着最小阻力方向淬入淬火介质，将冷却最慢的面朝着淬火介质的液面运动。当工件冷却至Ms点一下，应该停止运动。长轴类零件，垂直淬火，上下移动。厚薄不均匀的零件，厚的部分先淬入淬火
19、介质，对截面不均匀冷却的长形工件，可水平快速淬入或倾斜淬入淬火介质。对厚壁环状工件，轴向垂直淬入。对带有盲孔的工件，孔部朝上淬入，这样有利于孔内气泡的排出，同理，具有凹面的工件，应该将凹面朝上淬入。对薄壁件，侧向淬入，在可能的条件下，工件的尖、薄处要进行预冷，另外将某些孔用石棉堵死；薄壁部位用石棉绳包裹；在容易变形的一侧绑加强筋进行淬火均能减小热处理变形、防止开裂。7、预留合理的加工余量工件进行热处理，加热冷却并伴随组织转变，必然产生热应力组织应力，因此在零件加工过程中必须留有合理的加工余量，这样既可简化热处理操作，又不使随后机械加工时增加过大的工作量。8、合理的安排工艺路线图4是45钢制齿轮
20、，它有4个直径为35mm孔靠近齿根。若先加工出这些孔再进行高频淬火，则齿部靠近直径为35mm孔的节图将会变小，在高频淬火后钻这四个孔，可减小变形，保证精度。图4 钢制齿轮9、修改技术要求对于某些发生变形、开裂的零件，可以修改技术要求，以减小变形、开裂。如图5为锁紧螺母。原设计用45钢，要求四个槽口部分硬度在HRC3540.当草寇内螺纹等全部加工后，在整体淬火回火槽口硬度可达到技术要求，但是内螺纹变形，不能保证精度。如先热处理再加工，则硬度又太高。通过修改技术条件和调整工艺路线可以解决这么矛盾。其工艺路线如下：下料调质（HRC2530）加工槽口，槽口高频淬火（HRC3540）加工内螺纹这样，既满
21、足了槽口的硬度要求，又保证了螺纹的精度。此外，热处理时使用淬火夹具，降低零件表面粗糙度，更换材料等，均可减小或避免零件的变形、开裂。10、按变形频率调节加工尺寸热处理变形，通过实验可以总结出规律。采用冷、热加工配合，调整加工尺寸，对于大批生产零件是一种行之有效的方法，如某厂生产的汽车变速箱齿轮，通过实验，掌握了渗碳淬火后的变形规律，采用改变加工尺寸，就能在热处理后达到精度要求。结束语：重要件关键件都要进行热处理。热处理工件就会发生变形，甚至是开裂，因此提高产品质量，降低废品率，减小热处理变形，防止开裂是关键。减小热处理变形、防止开裂仅仅靠热处理工作者是不够的，要求设计人员充分考虑热处理工艺性。冷热加工要相互配合。在生产、设计过程中，综合分析，找出问题的关键，抓住主要矛盾，采取有效措施，就能明显减小热处理变形，避免开裂，达到提高产品质量，降低消耗，增加经济效益的目的。参考文献刘 永 栓钢的热处理 北京：冶金工艺出版社，1981史 美 堂金属材料及热处理上海：上海科技出版社，1980王 明 贤中级热处理工艺北京：机械工艺出版社，1988赵 忠金属材料及热处理北京：机械工艺出版社，1997吴 元 徽热处理工艺北京：机械工艺出版社，2006王 顺 兴金属热处理原理与工艺哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009
