畢業(yè)論文對熱處理過程總變形及開裂問題的探討

1、畢業(yè)論文題目：對熱處理過程總變形及開裂問題的探討學生姓名：陳 浩系別：機械工程系專業(yè)年級：10級預備技師模具制造與設(shè)計指導老師：陳 本 鋒目錄引言·····························4一 熱處理變形記開裂的原因······

2、83;21 熱應力及其引起的變形··············52 組織應力及其引起的變形·············6二 影響變形及開裂的因素··········61. 剛的化學成分····&

3、#183;················62. 剛的淬透性·······················73. 剛的原始組織·······

4、···············74. 淬火介質(zhì)·························75. 零件的幾何尺寸·······

5、;··············86. 淬火的方法························8三 減少變形及開裂的措施········&

6、#183;·81. 合理的選用鋼材····················82. 合理的選擇加熱溫度·················83. 合理鍛造及預先熱處理·····

7、;···········84. 合理設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)尺寸···············95. 采用合理的熱處理工藝················96. 采用正確的淬火操作方法

8、83;·············107. 預備合理的加工余量·················108. 合理的安排工藝路線···············

9、;··109. 修改技術(shù)要求····················1110. 按變形頻率調(diào)節(jié)加工尺寸···········12結(jié)束語···········&#

10、183;···············13參考文獻··························14引言變形是指零件在熱處理時引起的形狀和尺寸的偏差。變形是熱處理較難解決的問題，要完全

11、不變形時是不可能的，一般是把變形量控制在一定范圍內(nèi)。超過變形量時，只能用校正法校正。開裂是絕對要避免的，因為開裂零件無法挽救，只能當報廢處理，這既浪費了材料與加工費用，又影響了生產(chǎn)，給國家造成損失。因此，分析研究金屬熱處理變形、開裂的原因，掌握其規(guī)律性，并找出減小變形、防止開裂的技術(shù)措施，具有十分重要的意義。對熱處理過程中變形及開裂問題的探討摘要：在熱處理過程中變形與開裂是常見而又比較難解決的問題，對熱處理變形的規(guī)律的復雜性我們還沒有徹底的認識和掌握。論文分析了熱處理變形、開裂的原因，影響變形的因素以及減少熱處理變形、防止開裂的一系列技術(shù)措施。關(guān)鍵詞：熱處理； 變形； 開裂； 熱應力； 組織應

12、力一、 熱處理變形、開裂的原因工件的變形包括尺寸變化和形狀變化二種。不論哪種變形，主要都是由于熱處理時，工件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應力所造成的，根據(jù)內(nèi)應力的形成原因不同，可以分為熱應力和組織應力。工件的變形就是這二種應力綜合影響的結(jié)果，當應力大于屈服極限時就會發(fā)生永久變形，如果大于材料的強度工件就會開裂，下面對二種應力分別加以研究。1、熱應力引起的變形剛件在加熱和冷卻過程中，將發(fā)生熱脹冷縮的體積變化以及因組織轉(zhuǎn)變時新舊相比容差而產(chǎn)生的體積改變。零件加熱到淬火溫度時，屈服強度明顯降低，塑性則大大提高。當應力超過屈服強度時，就會產(chǎn)生塑性變形，如果造成應力集中，并超過了材料的強度極限，就會使零件淬裂。導熱性很

13、差的高碳合金鋼，如合金模具剛cr12mov、高速鋼w18cr4v 之類的工具鋼、淬火加熱溫度很高，如不采用多次預熱和緩慢加熱，不但會造成零件的變形，而且會導致零件開裂而報廢，此外，鑄鋼件和鍛件毛胚，如果表層存在著一層脫碳層，由于表層和心部導熱性能不同，在淬火加熱較快時，也會產(chǎn)生熱應力而引起變形。冷卻時由于溫差大，熱應力是造成零件變形的主要原因。及冷熱應力的二個特點：1>零件表面產(chǎn)生壓力，心部產(chǎn)生熱效應。2>大型軸類零件心部的軸向參與拉應力特別大。對工件的影響：大型軸類零件如軋鋼，因冷卻后軸向參與拉應力很大，再加上心部往往存在氣孔、夾雜、鍛造裂紋等缺陷，故容易造成橫向開裂。對于形狀簡

14、單的小軸類零件，新產(chǎn)生的表面壓應力可以提高其抗疲勞能力。實踐證明，熱應力引起工件變形的特點是和物體內(nèi)部收到高的流體靜壓力的結(jié)果相似，它使平面變成凸面，直角變成鈍角，長的方向變短，短的方向變長。如圖1圖1 框型鑄件熱應力的形成過程2、組織應力引起的變形如果金屬制品在加熱和冷卻時發(fā)生相變，由于新舊相之間存在著結(jié)構(gòu)和比容差異，制品各部分又難以同時發(fā)生相變，或者各部分的相變產(chǎn)物有所不同，也會引起應力，這種因組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變不均勻而產(chǎn)生的應力稱為組織應力。制品在加熱或冷卻過程中發(fā)生的相變總是先從表層開始的，然后向心部發(fā)展，若相變時體積增大，先轉(zhuǎn)變的表層膨脹將受到心部牽制。結(jié)果表層受壓應力，心部受拉壓力。若相

15、變時體積變小，則表層為拉應力而心部為壓應力。例如剛件淬火時，表層先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于馬氏體的比容大于母體奧氏體的比容，因而表面膨脹。但這種膨脹會受到心部的牽制，故表層受壓應力，心部受拉應力，當心部也冷至馬氏體轉(zhuǎn)變點以下，心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而膨脹，但又受到表層的牽制，故此時心部受壓應力，而表層受拉應力。組織應力有二個特點：1>工件表面受拉應力，心部受拉應力。2>靠近表面層，切向拉應力大于軸向拉應力。組織應力引起工件變形的特點與熱應力相反，使平面變凹，直角變成鈍角，長的方向變長，短的方向變短。一句話使尖角變得突出，特別指出的是，試樣表面的切向拉應力很大，較大的切向拉應力往往是零件產(chǎn)生

16、縱向裂紋的主要原因。淬火零件的變形時熱應力和組織應力綜合作用的結(jié)果。除了內(nèi)應力外，零件的變形還要原材料成分、工件的形狀和介質(zhì)冷卻速度的影響，實際情況復雜很多，因此在解決實際問題時，要全面分析，指出起主導作用的是熱應力還是組織應力，以便判定變形的趨勢或裂紋產(chǎn)生的可能性，并采取各種措施予以控制或防止。二、影響變形及開裂的因素在實際生產(chǎn)中，影響熱處理變形的因素有很多，其中主要包括鋼的原始組織、化學成分、零件尺寸和形狀、淬火介質(zhì)的選擇、淬火工藝鋼的淬透型等。1、鋼的化學成分鋼的化學成分中以含碳量對淬火變形的影響最大。隨著鋼中含碳量的升高，馬氏體的質(zhì)量體積增大，因組織轉(zhuǎn)變而引起變化及因相變應力而引起的淬

17、火變形便越大，但高碳鋼由于殘留奧氏體量的增加，抵消了一部分馬氏體轉(zhuǎn)變的膨脹作用，而體積變化相對減少。隨著含碳量的增加，鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變點的溫度也降低，這是開始馬氏體轉(zhuǎn)變，鋼已處于降低溫度，難以塑性變形，這也導致相變應力變形減小，熱應力變形明顯。概括起來可以得到以下結(jié)論：低碳鋼中，由于淬火時質(zhì)量變化較小，特別是淬透性差，故其淬火變形常以熱應力為主，中碳鋼中，因淬火時質(zhì)量體積變化較大，淬透性也較低碳鋼大，且ms點還比較高，故當零件尺寸較小淬火變形將以相變應力變形為主；當然隨著零件尺寸增大，硬度層深度減小，將會逐漸 過渡到以熱應力為主。在高碳鋼中，由于ms點較低，殘留奧氏體較多，故淬火變形主要是熱應力

18、變形。合金元素太多會明顯提高鋼的淬透性，使ms點下降，殘留奧氏體量增多，因此減少了相變應力；同時合金元素提高了鋼的淬透性，可以在緩和的介質(zhì)中淬火，減少了工件的熱應力；另外由于合金元素的加入，提高了鋼的屈服強度，因此顯著得減少了淬火應力引起的變形。2、鋼的淬透性鋼的淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特征。它是反映鋼在淬火時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的難易程度。鋼的淬透性與鋼的臨界冷卻速度有密切的關(guān)系，臨界冷卻速度越低，鋼的淬透性越好，降低臨界冷卻速度的主要因素是鋼的化學成分，例如合金鋼的淬透性比碳鋼好。淬透性好的鋼，在淬火冷卻時刻采用比較緩和的淬火介質(zhì)，減少工件淬火的變形及開裂傾向。

19、因此對于重要的、形狀復雜的、大截面的零件應選擇淬透性好的合金鋼，經(jīng)淬火及回火處理，既能獲得所需要的力學性能，又能減少變形及開裂。3、鋼的原始組織零件淬火前的組織狀態(tài)對零件的淬火質(zhì)量有很大的影響，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等，這些鋼在鍛造加工以后，必須進行球化退火，將片狀珠光體變?yōu)榍驙钪楣怏w，在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易長大，冷卻時工件的變形和開裂傾向小。另外偏析現(xiàn)象和網(wǎng)狀組織，對淬火后工件的變形特別是對長軸的彎曲變形影響很大。材料的本質(zhì)晶粒度越細，屈服強度越高，對變形的抗力越大，工件淬火后的變形量就相應減小。4、淬火介質(zhì)根據(jù)碳鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖可知，為了抑制非馬氏體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)生，在c曲線“鼻子

20、”附近（550左右）需要快冷，而在650以上或400以下溫度范圍，并不是需要快冷，特別在ms線附近發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時需要緩慢冷卻，為使馬氏體轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的熱應力和組織應力最小，以防淬火變形和開裂。圖2 c曲線與淬火操作示意圖一般認為，淬火介質(zhì)300時的冷卻速度對變形的影響是關(guān)鍵的，應根據(jù)鋼的淬透性、零件截面尺寸和表面粗糙度，合理選用淬火介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)有水、油、以及鹽類水溶液、熔鹽、空氣等。水的冷卻特性不理想，在要求快冷區(qū)間650400時，水的冷卻速度很小，大約200/s，使零件淬火變形及開裂傾向最大。一般情況下碳鋼常采用淬火烈度大的水或水溶液作為淬火介質(zhì)；而合金鋼一般用油作為淬火介質(zhì)。因此，

21、選擇淬火介質(zhì)的正確原則是，在保證淬硬的前提下，盡量選擇淬火烈度小的淬火介質(zhì)，以減小淬火變形及開裂。5、零件的幾何形狀尺寸從熱處理工藝角度出發(fā)，零件設(shè)計最好采用對稱結(jié)構(gòu)，盡量避免尖角，要求截面過渡均勻。必要時可開工藝用槽。如鏜桿上開有二條對稱的槽，其中一條是為減小熱處理變形而設(shè)計的，形狀較復雜的零件，如零件的尖角處，由于應力集中，更容易產(chǎn)生淬火裂紋。因此，必須合理選擇材料，避免淬火裂紋產(chǎn)生。6淬火的方法為了使淬火時最大限度得減少變形和避免開裂，除了正確地進行加熱及合理選擇淬火介質(zhì)外，還應根據(jù)工件的成分、尺寸、形狀和技術(shù)要求選擇合適的淬火方法。例如：雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火、強烈

22、淬火等。雙介質(zhì)淬火的內(nèi)應力小，變形及開裂少，所以主要應用于碳素工具鋼制造的易開裂的工件，如絲錐等；貝氏體等溫淬火可以顯著得減少淬火應力和淬火變形，并能基本上避免工件的淬火開裂，因此，各種形狀復雜的模具，成型刀具采用貝氏體等溫淬火；強烈淬火技術(shù)是采用高速攪拌或高壓噴淬使試件在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域進行快速而均勻的冷卻，在試件整個表面形成一個均勻的具有較高壓應力的硬殼。避免了常規(guī)淬火在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域進行冷卻而產(chǎn)生畸變過大和開裂的問題?？傊?，熱處理變形及開裂的影響因素是十分復雜的問題，在制定淬火熱處理工藝時，應充分考慮工件的形狀、鋼中的碳含量，根據(jù)工件所要求的力學性能，合理選擇淬火方法及冷卻介質(zhì)，防止變形及

23、開裂，提高產(chǎn)品質(zhì)量。三、減少變形及開裂的措施1、合理的選用鋼材對于形狀復雜、截面尺寸相差懸殊的工件，最好選用高淬透性的合金鋼。以便在緩冷介質(zhì)中冷卻時，能減少應力與變形。對形狀復雜且精度要求較高的模具、量具等，可以用微變型鋼，用等溫淬火或分級淬火來減小變形。對于易變形、淬裂的零件選用合金鋼，對于硬度要求不高的結(jié)構(gòu)件，在滿足硬度要求的情況下，盡可能的選用碳質(zhì)量分數(shù)較小的碳鋼以減小變形。2、合理的選擇加熱溫度在保證淬鋼的前提下，一般應該盡量選擇低一些的淬火溫度。但對于一些高碳合金鋼工件，可以通過適當提高淬火溫度來降低ms 點，增大殘留奧氏體量，以控制淬火變形。另外，對厚度較大的高碳鋼工件，也可以適當

24、提高其淬火溫度來防止弧狀裂紋。3、合理鍛造及預先熱處理鋼中白點，鎖孔可能成為淬火裂紋的根源。原材料中碳化物偏析也易使工件發(fā)生開裂，因此，必須嚴格控制原材料的質(zhì)量。淬火前的原始組織對淬火變形有很大的影響。尤其是對高碳工具鋼必須進行合理的鍛造以消除網(wǎng)狀碳化物及偏析，盡可能使其均勻分布。對變形要求較嚴格的工件，在加工過程中，要進行去應力退火。對于形狀復雜的零件在淬火前進行退火、正火或調(diào)質(zhì)處理，以減小或避免零件變形、開裂。鑄件的預備熱處理，一般是在鍛造后立即進行退火或正火。依據(jù)不同的情況。采用不同的預備熱處理方法：（1）低碳鋼應該選用正火處理，以獲得均勻的鐵素體加細片狀的珠光體組織。（2）中碳鋼及合金

25、鋼一般采用完全退火或等溫球化退火，獲得鐵素體加片狀或球狀珠光體組織。（3）如果僅為了消除鑄造應力，則采用去應力退火即可。（4）較大的大型鑄件，往往會出現(xiàn)枝晶偏析，這是可以采用均勻退火處理。4、合理設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)尺寸工件結(jié)果盡量對稱，減少截面的厚薄懸殊，避免尖角和薄邊交界處應該平滑過渡。（1）避免尖角、尖棱零件尖角、尖棱造成淬火應力集中，往往會導致淬火裂紋，故要將尖角、尖棱加工成圓角、倒角以避免開裂。（2）、避免厚薄懸殊厚薄懸殊的零件因為淬火冷卻不均勻，所以變形，開裂傾向較大可采取開工藝孔、加厚零件太薄的部分、合理安排空洞位置或不通孔為通孔等辦法。（3）、采用封閉、對稱結(jié)構(gòu)開口或不對稱結(jié)構(gòu)的零件

26、淬火時應力分布不均勻，已引起變形，應該為封閉結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。封閉結(jié)構(gòu)如圖3所示彈簧夾頭，熱處理后在切開槽口。如鏜桿截面，要求氮化變形極小。原設(shè)計在鏜桿一側(cè)開槽，結(jié)構(gòu)變形較大。后修改設(shè)計。在另一側(cè)也開槽，使零件形狀呈對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)減小了鏜桿在熱處理時的變形。圖3 彈簧夾頭（4）、采用組合結(jié)構(gòu)某些有淬裂傾向而各部分工件要求不同的零件或形狀復雜的零件，可以采用組合結(jié)構(gòu)或者鑲拼結(jié)構(gòu)，不僅減小熱處理變形、防止開裂，而且方便維修。5、采用合理的熱處理工藝（1）、采用一次或多次預熱為了減小熱應力應緩慢加熱以減小工件的溫差，尤其對形狀復雜或?qū)嵝缘母吆辖痄撝乒ぜ＞?，采用一次或多次預熱，可減小變形、防止開裂。

27、此外，適當降低淬火溫度或采用預冷淬火，都有利減小變形。（2）采用分級淬火或等溫淬火采用分級淬火或等溫淬火，可同時減小熱應力和組織應力，將變形降低到最小程度。分級淬火、等溫淬火之適應與薄壁小件的生產(chǎn)。6、采用正確的淬火操作方法正確選擇工件淬入介質(zhì)的方式，保證工件得到最均勻的冷卻并沿著最小阻力方向淬入淬火介質(zhì)，將冷卻最慢的面朝著淬火介質(zhì)的液面運動。當工件冷卻至ms點一下，應該停止運動。長軸類零件，垂直淬火，上下移動。厚薄不均勻的零件，厚的部分先淬入淬火介質(zhì)，對截面不均勻冷卻的長形工件，可水平快速淬入或傾斜淬入淬火介質(zhì)。對厚壁環(huán)狀工件，軸向垂直淬入。對帶有盲孔的工件，孔部朝上淬入，這樣有利于孔內(nèi)氣泡的排出，同理，具有凹面的工件，應該將凹面朝上淬入。對薄壁件，側(cè)向淬入，在可能的條件下，工件的尖、薄處要進行預冷，另外將某些孔用石棉堵死；薄壁部位用石棉繩包裹；在容易變形的一側(cè)綁加強筋進行淬火均能減小熱處理變形、防止開裂。7、預留合理的加工余量工件進行熱處理，加熱冷卻并伴隨組織轉(zhuǎn)變，必然產(chǎn)生熱應力組織應力，因此在零件加工過程中必須留