热处理变形的原因分析

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，而由相变应力所引起的变形则使之趋于绕线轴状。因此淬火冷却所致的变形表现为两者的结合，按照淬火方式的不同，表现出不同的变形。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。图5为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。

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