金属材料的热处理变形与防控分析

张凯

（四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川 遂宁　629000）

金属材料的热处理变形与防控分析

张凯

（四川职业技术学院建筑与环境工程系，四川 遂宁629000）

热处理变形是影响工件热处理质量的重要因素，本文分析了热处理变形的表现形式、变形机理和影响因素，提出了防控热处理变形的有效措施.

热处理；变形机理；影响因素；防控措施

金属在热处理过程中会在组织应力、热应力以及重力作用下发生不同程度的形状或者尺寸的变化，这就是通常所说的热处理变形.热处理变形是降低热处理质量的因素之一，常常导致一些精密零件因为变形而超差，从而造成不必要的经济损失.由于热处理变形的机理复杂，影响因素很多，解决热处理变形问题也就变得十分复杂，以下是作者对金属热处理变形的表现形式、变形机理、影响因素和防控措施的分析和研究.

1 热处理变形的表现形式

1.1 尺寸产生变化

热处理通常包括常规热处理、化学热处理和形变热处理等.不论哪一种热处理工艺，其热作用的基本过程一般都要经过升温、保温和冷却几个温度变化阶段，尤其是常规热处理所保持的温度通常都比较高，此时材料可能在热应力、相变应力和重力作用下引起尺寸发生不同程度的变化，这种尺寸变化可以是宏观的也可以是微观的，包括如伸长、收缩、变厚和变薄等.这其中，尤以淬火热处理较为典型一些.工件在悴火时会产生相变应力和热应力两种内应力，当应力累积到一定程度的时候就引起工件尺寸发生变化.尺寸变形分为一维，二维和三维变形.具体来说，在热应力作用下，工件将沿着最大尺寸方向产生收缩，沿着最小尺寸方向产生膨胀，沿着孔的直径方向发生收缩；在相变应力作用下，则是沿着最大尺寸方向伸长，沿着最小尺寸方向缩小，使工什尖角突出，平面内凹，孔径一般胀大.当然实际热处理变形引起的尺寸变化受多种因素的影响而变得十分复杂和多样.

1.2 形状发生改变

金属材料热处理过程中出现的热应力和相变应力，不仅使材料发生尺寸变化还致使材料的形状发生变化.如零件形状产生弯曲、翘曲、扭曲等.对于轴类零件产生轴线方向的弯曲变形，薄壁圆形零件沿着直径和轴线方向均可能发生变形，齿轮零件不仅齿轮体的外形可能发生变化而且也可能因为热处理引起齿形的改变，使得齿形的误差超出公差允许的范围.

2 热处理变形的产生机理

2.1 热应力致使材料变形

由于热处理在加热或者冷却过程中存在不均匀性，有时还可能需要快速加热或者快速冷却，必然在工件的内外或表面的不同部位形成温度差，造成热胀冷缩不一致，这种因热胀冷缩不均产生体积差引起的内部应力就是热应力.热应力变形的定量分布变化比较复杂，通过热弹性解析法对变形和内部应力进行跟踪分析，采用差分法和有限单元法对温度和应力进行解析表明，热应力在零件表面以压应力的形式分布，在零件心部以拉应力的形式分布，在大型轴类零件心部的轴向这种拉应力特别大.当热应力达到材料塑性变形极限时就发生永久性的塑性变形.

2.2 相变应力致使材料变形

金属在热处理过程中由于发生组织转变，不同组织的比容变化造成体积的膨胀或收缩，从而产生内应力，这就是通常所说的相变应力.由于热处理时温度差的存在，相变首先从表面部分开始，先相变的表面会使未相变的心部发生塑性变形，伴随着相变引起材料发生的形状改变在常温时也可能残留下来.这种相变应力的不均匀性还会由于材料中的合金成分偏析或者表面脱碳表现更为突出，更易导致零件变形.相变应力对变形的具体影响取决于相变的种类和转变点.在淬火冷却时，过冷奥氏体发生铁素体、贝氏体、马氏体三种相变.它们的相变温度从高到低依次是铁素体、贝氏体和马氏体。体积膨胀马氏体最大，上贝氏体次之，下贝氏体和屈氏体的体积变化很小.铁素体相变时出现凸起变形，马氏体相变出现凹下变形，在相变点低和温度梯度小的状态下发生马氏体相变时，工件变形倾向于凸起变形.淬火后的回火或热处理以后的相变是:在较高温度时从α马氏体中析出碳化物成为β马氏体，体积收缩；200℃时残余奥氏体分解为贝氏体，体积膨胀.此时，由于马氏体分解的收缩和奥氏体分解的膨胀互相抵消，相变应力的表现不明显.

2.3 蠕变致使材料变形

所谓蠕变就是指钢材由于受热以后塑性增大，在支承方法不正确情况下受到重力作用产生的挠曲变形.热处理时的工件需要保持在较高温度，如果支承的方法不恰当，就会产生蠕变变形，工件就会因为蠕变弯曲而超出误差范围.热处理的温度越高，热处理的时间越长，蠕变变形就越大.

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3 热处理变形的影响因素

3.1 热处理的温度参数

影响热处理变形的因素很多，其中最主要的影响因素是温度.温度的高低以及保温时间的长短直接关系到组织应力和热应力的产生和作用大小，同时温度升高金属的塑性增大，高温蠕变的趋势也更加明显.在淬火工艺中，加热的温度主要引起材料的翘曲变形，对体积变形引起的尺寸变化的影响则不大.因此，在保证获得所需的热处理性能指标的同时，要减少热处理变形就必须严格测量和控制热处理工艺阶段的温度.

3.2 工件的结构尺寸

对于长轴类工件，高碳钢轴类工件淬透后为马氏体组织，主要发生组织应力变形，所以表现为体积膨胀，直径和长度增大；合金钢轴类工件淬透性好，变形则由组织应力和热应力综合作用而产生，小尺寸件的直径和长度均增大，大尺寸件直径缩小长度增大.

对于环形套筒类工件，淬火后热应力状态分布为内外表壁受压，心部受拉，使外径增大，内径和高度减小，组织应力状态分布为内外表壁受拉，心部受压，使外径缩小，内径和高度增大.在两种应力作用下使工件产生最终的变形.

3.3 工件的机械加工

一是在加工细长类工件时受切削用量的影响会产生不同程度的残余应力，增加淬火变形的敏感性.二是机械加工预留的加工余量与热处理变形量以及热处理后的机加工量存在较大的误差，从而导致热处理变形无法修复.

3.4 工件的装夹方式

工件在加热和冷却过程中，因为装夹方式以及所使用的夹具不同，可能使得工件的受热和冷却不均匀性加大，对于需要部分渗碳、渗氮等处理的工件造成渗层不均.这种不均匀性必然增大热应力和组织应力，从而使工件变形量增大.

3.5 金属材料的化学成分

影响金属材料热处理变形的化学成分主要是碳和其它合金元素.

含碳量是影响热处理变形的主要因素.热处理时相变引起的体积和形状变化与溶解在该相内的含碳量有关，含碳量的变化主要影响马氏体的比容、钢的Ms点以及残余奥氏体的数量.一般来说，随着含碳量的增加，淬火马氏体中固溶碳量也有所增加，相变比容增大，工件变形的趋势也增大.但当工件含碳量达到一定程度，淬火后残余奥氏体的数量增加，相变比容引起的形变随含碳量增加而减小.所以，低碳钢淬火后马氏体的比容较小，组织应力小，淬火温度高，以热应力变形为主.中碳钢全部淬透时，马氏体的比容较低碳钢大，马氏体点仍然相当高，以组织应力变形为主；中碳钢未淬透时，淬硬层越薄，组织应力引起的变形越小，个别情况还可能以热应力变形为主.高碳钢在淬不透的情况下，表现为以热应力为主的变形方式，在全部淬透的情况下，以组织应力为主导作用.

合金元素如Cr、Mn、SI、Ni、Mo、W、V、Ti等也对热处理的变形起到较大的影响.合金元素在钢中主要以固溶体、合金渗碳体和合金碳化物的形式存在和分布，起到强化钢的力学性能，提高塑性变形抗力的作用.除Al和Co外，合金元素增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，钢的淬透性增大，降低了淬火冷却速度，减少温差引起的热应力变形.合金元素还阻碍淬火时过冷奥氏体向马氏体转变，降低Ms点，淬火后残余奥氏体增多，比容变化减小，组织应力引起的变形也减小.

3.6 热处理的工艺状态

热处理工艺过程的主要参数包括：加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度以及热处理周期等.如果加热和冷却速度过快，可能造成金属的相变不完全，组织成分不均匀，组织应力增大，热应力释放不彻底，使得热处理变形加剧.

4 .热处理变形的防控措施

4.1 严格测控热处理温度

一是按照热处理工艺对温度的要求，尽量准确测量热处理加热的温度，减少温度误差.二是在保证材料获得足够的硬度及其它性能的情况下，降低工艺温度，以提高塑性抗力，减小应力和蠕变.如淬火加热时尽量采用下限温度，适当降低二次淬火的温度.

4.2 合理设计尺寸结构

在满足工件功能要求的情况下，尽可能采用对称设计，避免出现尖角、沟槽、厚薄不均等.在工件厚薄不均的地方要让受热温度保持基本一致，或者预留热处理加工余量.对非对称变截面工件，也可在结构尺寸上做预先变形设计或处理来保证最终热处理变形量不超标.

4.3 调整机加工工艺

一是正确选用细长类工件的机加工切削用量，尽量采用高速小前角刀具，特别对形状复杂的工件在半精加工后进行加热到回火温度保温4-8小时再随炉缓冷到300C0的消除应力处理.二是适当增加工艺孔、预留加强筋，同时预留加工余量和热处理变形矫正量，从而保证热处理后通过机械加工来达到图纸的精度要求.

4.4 采用恰当的装夹方式

采用合理的装夹方式使工件受热和冷却均匀，避免不均匀性引起的热应力或组织应力造成变形.如对盘类、轴类工件采用立式装夹，对有具有孔槽的工件使用心轴装夹，或者增加垫圈来加以补偿支承.也可设计专用夹具来保证渗碳或渗氮层均匀，同时防止因加热导致材料塑性化出现的蠕变.

4.5 选用合适的金属材料

在满足工件对金属材料机械性能、工艺性能和经济性等要求的情况下，应尽量选用热处理变形敏感性小的材料.主要考虑三个因素：一是碳含量.在淬火时含碳量越高，马氏体开始转变温度越低，因此，低碳钢主要是热应力变形，中碳钢主要是组织应力变形，高碳钢主要是热应力变形.二是合金元素含量.合金元素的存在使得组织应力减小，从而工件的淬火变形也减小.三是淬透性.金属的淬透性小热处理变形小，所以尽量选用淬透性小的合金材料.

4.6 采用适宜的工艺方法

一是采用预备热处理工艺.如用控温正火或等温退火方法对锻件进行预备处理，对需要正火的工件进行等温淬火等.二是采用适当的冷却方法保证冷却均匀性.在不影响材料硬度的前提下，采用预冷、分级预冷等方法减小热应力或组织应力.三是采用合适的加热规范.通过调整工件在热炉中的位置，在不对称工件中填塞石棉或黄泥等方法，使工件受热均匀.四是采用合适的处理介质.对于淬火冷却尽量采用油性介质，并且实行热油、冷油分级淬火.

5 .结束语

总之，我们通过对热处理变形机理的分析，可以找出引起热处理变形的主要因素，在热处理升温、保温、冷却的工艺过程中，采取正确的工艺措施和工艺方法，尽可能的控制或减少热处理变形，从而提高热处理产品的质量，降低热处理的工艺成本，提高热处理的效益.

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责任编辑：张隆辉

TG 157

A

1672-2094（2015）01-0154-03

2014-11-27

张凯（1968-），男，四川蓬溪人，四川职业技术学院建筑与环境工程系讲师，硕士.研究方向：金属材料，力学，钢结构.