对热处理过程中粹变及出现裂纹问题的讨论(编辑修改稿)

对热处理过程中粹变及出现裂纹问题的讨论(编辑修改稿)内容摘要：

此时心部受压应力，而表层受拉应力。 组织应力有两个特点： 1）工件表面受拉应力，心部压应力。 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，使平面变凹，直角变成锐角，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。 莱芜职业技术学院毕业论文 5 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，实际情况要复杂很多。 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。 2 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、钢的淬透性等。 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，因组织转变而引起的体积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，而体积变化相对减小。 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，钢已处于较低温度，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。 概括起来可以得出以下结论：在低碳钢中，由于淬火时质量体积变化较小，特别是淬透性差，故其淬火变形常以热应力为主。 中碳钢中，因其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变形为主。 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。 合金元素大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，因此显著地减少了淬火应力引起的变形。 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莱芜职业技术学院毕业论文 6 速度有密切的关系，临界冷却速度越底，钢的淬透性越好，降低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，在淬火冷却时可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。 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、特别是对细长轴的弯曲变形影响很大。 材料的本质晶粒度越细 ,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。 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，以防止淬火变形和开裂。 图 2 C曲线与淬火操作示意图 莱芜职业技术学院毕业论文 7 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 650— 400℃时，水的冷却速度很小，大约 200℃ /s,而在 400℃以下需要漫冷的区间，水的冷却速度大增，大约 300℃达到最大值 800℃ /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。 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。 如镗杆上开有两条对称的槽，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。 淬火方法 为了使淬火时最大限度地减少变形和避免开裂，除了正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地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、成形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快速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。 莱芜职业技术学院毕业论文 8 3 减少变形及开裂的措施 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，能减小应力与变形。 对形状复杂且精度要求较高的模具、量具等，可以用微变形钢，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。