对热处理过程中变形及开裂问题毕业设计

1、 学号：题目：对热处理过程中变形及开裂问题 学生姓名： 所学专业： 指导教师： 毕业论文（设计）申请表学生姓名 学 号所学专业所在系部毕业论文（设计）选择题目 编号： 题目：系部审批： 年 月 日 毕业论文（设计）任务书论文题目毕业论文（设计）的要求：主要参考资料：学 生 （签名） 年 月 日指导教师 （签名） 年 月 日毕业论文（设计）评语论文题目指导教师评语: 指导教师签字: 年 月 日评审委员会评语: 评审委员会专家签字:年 月 日最后成绩：学生毕业论文答辩情况表答辩人姓名所学专业导师姓名、职称答辩日期年 月 日论文题目答辩委员会成员姓名职称所在单位签名组长成员系教研室主任或秘书答辩中提

2、出的问题及回答的简要情况（如不够填写可另附纸） 答辩委员会 组 长 （签名） 教研室主任或秘书 年 月 日 目录引言.11. 热处理变形及开裂的原因2 1.1热应力及其引起的变形2 1.2组织应力及其引起的变形3 1.3温度是变形的关键因素42. 影响开裂的因素4 2.1钢的化学成分4 2.2钢的淬透性5 2.3钢的原始组织5 2.4淬火介质5 2.5零件的几何尺寸6 2.6淬火的方法63. 减少变形及开裂的措施6 3.1合理的选用钢材6 3.2合理的选择加热温度6 3.3合理锻造及预先热处理6 3.4合理设计工件的结构尺寸7 3.5采用合理的热处理工艺7 3.6采用正确的淬火操作方法7 3.

3、7预备合理的加工余量8 3.8合理的安排工艺路线8 3.9修改技术要求8 3.10按变形频率调节加工尺寸84.变形的其他影响因素及减小措施8 4.1合理的加热次序和冷却次序8 4.2预备热处理9 4.3运用合理的冷却方法9 4.4零件结构要合理9 4.5采用合理的装夹方式及夹具9 4.6 机械加工9 4.7采用合适的介质10结束语11参考文献12 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，只能报废，这既浪费了材料与加工费用，又

4、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。 工业发展日新月异，对机械精度和性能的要求也越来越高。在工业零件生产中，热处理是必不可少的一部分，它对材料性能的影响非常大，金属热处理在改善材料各种性能的同时，热处理变形是不可避免的，并且会直接影响到工件的精度、强度、噪声和寿命，因此对于精度要求较高的零件要尽可能减小其变形量，着重分析温度是控制变形的关键因素的同时罗列几点次要因素。 对热处理过程中变形及开裂问题什么是金属材料的热处理？热处理有什么弊端？（变形等） 金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适

5、当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。热处理工艺是使各种金属材料获得优良性能的重要手段。很多实际应用中合理选用材料和各种成形工艺并不能满足金属工件所需要的力学性能、物理性能和化学性能，这时热处理工艺是必不可少的。但是热处理工艺除了具有积极的作用之外，在处理过程中也不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。而要减小热处理的变形，我们就需要了解影响热处理变形的因素。在热处理过程中变形与开裂是常见而又比较难解

6、决的问题。对热处理变形的规律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1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两种。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，可以分为热应力与组织应力。工件的变形就是这两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。下面对两种应力分别加以研究。1.1热应力引起的变形钢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

7、转变时新旧相比容差而产生的体积改变。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,如合金模具钢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,不但会造成零件变形,而且会导致零件开裂而报废。此外,铸钢件和锻件毛坯,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。急冷热应力的两个特点：1）零件表面产生压力，心部产生热效应。

8、2）大型轴类零件心部的轴向参与拉应力特别大。对工件的影响：大型轴类零件如轧辊，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受到高的流体静压力作用的结果相似，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11.2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组织应

9、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，心部受拉应力。若相变时体积减小，则表层为拉应力而心部为压应力。例如钢件淬火时，表层先发生马氏体转变，由于马氏体的比容大于母相奥氏体的比容，因而表层膨胀。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

10、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。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。1.3温度是变形的关键因素 工业生产中实际应用的热处理工艺形式非常多，如退火，正火，回火，淬火等，但是它们的基本过程都是热作用过程，都是由加热、保温和冷却三

11、个阶段组成的。整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度以及热处理周期等几个参数来描述。在热处理工艺中，要用到各种加热炉，金属热处理便在这些加热炉中进行（如基本热处理中的退火、淬火、回火、化学热处理的渗碳、渗氨、渗铝、渗铬或去氢、去氧等等）。因此，加热炉内的温度测量就成为热处理的重要工艺参数测量。每一种热处理工艺规范中，温度是很重要的内容。如果温度测量不准确，热处理工艺规范就得不到正确的执行，以至造成产品质量下降甚至报废。温度的测量与控制是热处理工艺的关键，也是影响变形的关键因素。 （1）工艺温度降低后工件的高温强度损失相对减少，塑性抗力增强。这样工件的抗应力变形、抗淬火变形、

12、抗高温蠕变的综合能力增强，变形就会减少； （2）工艺温度降低后工件加热、冷却的温度区间减少，由此而引起的各部位温度不一致性也会降低，由此而导致的热应力和组织应力也相对减少，这样变形就会减少； （3）如果工艺温度降低、且热处理工艺时间缩短，则工件的高温蠕变时间减少，变形也会减少。 减小热处理变形需要合理的热处理工艺。各种热处理方式相结合，搭配，尽量既满足性能需要同时又减少变形等缺陷。例如经热处理后的20crni2moa钢齿圈齿表面、齿心部硬度及有效硬化层深度均达到要求。图1为模数mn=12mm的齿圈经不同温度球化退火后的硬度梯度曲线。由图1可以看出，在650球化退火后的硬度梯度和740球化+68

13、0等温处理的硬度梯度结果相近，未经球化退火的齿轮的硬度较前两个低。这是因为球化退火可使淬火后渗层表面残留奥氏体量减少，从而提高了齿表面硬度， 因此20crni2moa 钢齿圈渗碳后应采用球化退火工艺，同时为减小热处理变形，在650球化退火效果更好。2、影响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。2.1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，

14、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

15、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。2.2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

16、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。2.3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。2.4淬火介质一般认为,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

17、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。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

18、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。2.5零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。如镗杆上开有两条对称的槽，其中一条是为减小热处理变形而

19、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。2.6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

20、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。3、 减少变形及开裂的措施 3.1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

21、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少变形。3.2合理的选择加热温度在保证淬硬的前提下，一般应该尽量选择低一些的淬火温度。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，也可适当提高其淬火温度来防止弧装裂纹。 3.3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

22、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，一般是在铸造后立即进行退火或正火。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，这是可以采用均匀化退火处理。3.4合理设计工件的结构尺寸工件结构尽量对称，减少截面的厚薄悬殊，避

23、免尖角和薄边及厚薄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、棱角加工成圆角、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，应改为封闭结构或对称结构。封闭结构如图3所示弹簧夹头，热处理后再切开槽口。如镗杆截面，要求氮化变形极小。原设计在镗杆一侧开槽，结果变形较大。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

24、形。（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，而且方便于维修。3.5采用合理的热处理工艺（1）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，课减小变形、防止开裂。此外，适当降低淬火温度或采用预冷淬火，都有利于减小变形。（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、等温淬火只适应与薄壁小件的生产。3.6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

25、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点以下时，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。对薄壁环状工件，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除。同理。具有凹面的工件，应该讲凹面朝上淬入。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，讲某些孔用石棉堵死；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。3.7预留合理的加工余量工件进行热处

26、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。3.8合理的安排工艺路线图4是45钢制齿轮，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，在高频淬火后再钻这4个孔，可减小变形，保证精度。3.9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。当槽口、内螺纹等全部加工后，再整体淬火、回火、槽口硬度可达到技术要求，但是内螺纹变形

27、，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些矛盾。其工艺路线如下：下料调质（hrc25-30）加工槽口槽口高频淬火（hrc35-40）加工内螺纹这样，既满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。3.10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，通过试验，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。4.变形的其他影响

28、因素及减小措施4.1合理的加热次序和冷却次序 根据，不同零件的结构特点，制定适合该零件的热处理顺序，可相应的减小热处理带来的变形，尽量使各部分热处理产生的变形可以相互抵消。最终达到变形最小的目的。不过，此方法成本较高，较复杂，浪费时间。一般情况下，除非非常精密的零件，才会采用此种方式。4.2预备热处理 正火硬度过高、混晶、大量索氏体或魏氏组织都会使内孔变形增大，所以要用控温正火或等温退火来处理锻件。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质，都会对金属最终的变形量产生一定的影响，直接影响到的是金属组织结构上的变化。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。

29、4.3运用合理的冷却方法 金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在10020。油的冷却能力对变形也是至关重要的。淬火的搅拌方式和速度均影响变形。金属热处理冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。可以在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷；采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法；对一些特别复杂或精度要求较高的工件，利用等温淬火能显著减少变形。4.4零件结构要合理 金属热处理后在冷却过程中，总是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少工件厚薄悬殊，零件截面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畸变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡；尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对