機(jī)械制造及自動化專業(yè)畢業(yè)論文

1、包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文對熱處理過程中變形及開裂問題的探討 125801023054李成宇學(xué)號：_作 者：_機(jī)械制造與自動化專 業(yè) 名 稱：_ 2011年 10 月 29 日對熱處理過程中變形及開裂問題的探討論文題目： 李成宇作者：_ 包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王婕包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院陳淑英 指 導(dǎo) 教 師： 單位： 單位： 論文提交日期：2014年 11 月 6日目 錄引言··················

2、83;···························1一 熱處理變形及開裂的原因····················&

3、#183;····2 1、熱應(yīng)力及其引起的變形·························2 2、組織應(yīng)力及其引起的變形···············&#

4、183;·······3二 影響變形及開裂的因素···························3 1、鋼的化學(xué)成分···········

5、83;·····················3 2、鋼的淬透性···························

6、········4 3、鋼的原始組織·································4 4、淬火介質(zhì)······

7、·······························4 5、零件的幾何尺寸·················&

8、#183;·············5 6、淬火的方法··································

9、3;6三 減少變形及開裂的措施···························6 1、合理的選用鋼材··················

10、3;············6 2、合理的選擇加熱溫度···························6 3、合理鍛造及預(yù)先熱處理······&

11、#183;··················6 4、合理設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)尺寸·······················7 5、采用合理的熱處理工藝···&#

12、183;·····················7 6、采用正確的淬火操作方法·······················8 7、預(yù)留合理的加工余量

13、3;··························8 8、合理的安排工藝路線·····················

14、83;·····8 9、修改技術(shù)要求·································9 10、按變形頻率調(diào)節(jié)加工尺寸·······&

15、#183;··············9結(jié)束語··································

16、83;········10參考文獻(xiàn)········································

17、83;10致 謝··········································11 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

18、題，要完全不變形時不可能的，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，只能報廢，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。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(fù)雜性我們還沒有徹底的認(rèn)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

19、一系列技術(shù)措施。關(guān)鍵詞：熱處理；變形；開裂；熱應(yīng)力；組織應(yīng)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兩種。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(yīng)力所造成的。根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的形成原因不同，可以分為熱應(yīng)力與組織應(yīng)力。工件的變形就是這兩種應(yīng)力綜合影響的結(jié)果，當(dāng)應(yīng)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。下面對兩種應(yīng)力分別加以研究。1、熱應(yīng)力引起的變形鋼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(dāng)應(yīng)力超過屈服強度時,就會產(chǎn)生塑性變形,如果造成

20、應(yīng)力集中，并超過了材料的強度極限,就會使零件淬裂。導(dǎo)熱性很差的高碳合金鋼,如合金模具鋼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(yù)熱和緩慢加熱,不但會造成零件變形,而且會導(dǎo)致零件開裂而報廢。此外,鑄鋼件和鍛件毛坯,如果表層存在著一層脫碳層,由于表層和心部導(dǎo)熱性能不同,在淬火加熱較快時,也會產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形。冷卻時由于溫差大,熱應(yīng)力是造成零件變形的主要原因。急冷熱應(yīng)力的兩個特點：1）零件表面產(chǎn)生壓力，心部產(chǎn)生熱效應(yīng)。2）大型軸類零件心部的軸向參與拉應(yīng)力特別大。對工件的影響：大型軸類零件如軋輥，因冷卻后軸向參與拉應(yīng)力很大，再加上心部往往存在氣孔、夾雜、鍛造

21、裂紋等缺陷，故容易造成橫向開裂。對于形狀簡單的小軸類零件，新產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力可以提高其抗疲勞能力。實踐證明，熱應(yīng)力引起工件變形的特點是和物體內(nèi)部受到高的流體靜壓力作用的結(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(yīng)力的形成過程2、組織應(yīng)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(yīng)力，這種因組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變不均勻而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為組織應(yīng)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

22、心部牽制。結(jié)果表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力。若相變時體積減小，則表層為拉應(yīng)力而心部為壓應(yīng)力。例如鋼件淬火時，表層先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，由于馬氏體的比容大于母相奧氏體的比容，因而表層膨脹。但這種膨脹會受到心部的牽制，故表層受壓應(yīng)力，心部受拉應(yīng)力；當(dāng)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(yīng)力，而表層受拉應(yīng)力。組織應(yīng)力有兩個特點：1）工件表面受拉應(yīng)力，心部壓應(yīng)力。2）靠近表面層，切向拉應(yīng)力大于軸向拉應(yīng)力。組織應(yīng)力引起工件變形的特點與熱應(yīng)力相反，使平面變凹，直角變成銳角，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(yīng)力很大

23、，較大的切向拉應(yīng)力往往是零件產(chǎn)生縱向裂紋的主要原因。淬火零件的變形時熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。除了內(nèi)應(yīng)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，實際情況要復(fù)雜很多。因此在解決實際問題時，要全面分析，指出起主導(dǎo)作用的是熱應(yīng)力還是組織應(yīng)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(xué)成分、零件尺寸和形狀、淬火介質(zhì)的選擇、淬火工藝、鋼的淬透性等。1、鋼的化學(xué)成分鋼的化學(xué)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

24、織轉(zhuǎn)變而引起的體積變化及因相變應(yīng)力而引起的淬火變形便越大。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，而體積變化相對減小。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，鋼已處于較低溫度，難以塑性變形，這也導(dǎo)致相變應(yīng)力變形減小，熱應(yīng)力變形明顯。概括起來可以得出以下結(jié)論：在低碳鋼中，由于淬火時質(zhì)量體積變化較小，特別是淬透性差，故其淬火變形常以熱應(yīng)力為主。中碳鋼中，因其淬火時質(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(dāng)零件尺寸較小淬火變形將以相變應(yīng)力變形為主；當(dāng)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(yīng)力變形為主。在高碳鋼中，

25、由于MS點較低，殘留奧氏體較多，故淬火變形主要是熱應(yīng)力變形。合金元素大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(yīng)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(yīng)力；另外由于合金元素的加入，提高了鋼的屈服強度，因此顯著地減少了淬火應(yīng)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，臨界冷卻速度越底，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(xué)成分，例如合金鋼的淬透性比碳鋼好。淬透性好的鋼，在淬火冷卻時可

26、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。因此，對于重要的、形狀復(fù)雜的、大截面的零件應(yīng)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(xué)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(jìn)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、特別是對細(xì)長軸的彎曲變形影響很大。材料的本質(zhì)晶粒度越細(xì),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(yīng)減小。4、淬火介質(zhì)根據(jù)碳鋼的

27、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”附近（550左右）需要快冷，而在650以上或400以下溫度范圍，并不需要快冷，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(yīng)力和組織應(yīng)力最小，以防止淬火變形和開裂。圖2 C曲線與淬火操作示意圖  一般認(rèn)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(yīng)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,而在400以下需要漫冷的區(qū)間，水的冷卻速

28、度大增，大約300達(dá)到最大值800/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，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。如鏜桿上開有兩條對稱的槽，其中一條是為減小熱處理變形而設(shè)計的。形狀較復(fù)雜的零件，如零件的尖角處，由于應(yīng)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、淬火方法為了使淬火時最大限度地減少變形和避

29、免開裂，除了正確地進(jìn)行加熱及合理選擇淬火介質(zhì)外，還應(yīng)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、強烈淬火等。雙介質(zhì)淬火的內(nèi)應(yīng)力小，變形及開裂少，所以主要應(yīng)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地減少淬火應(yīng)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(fù)雜的模具、成形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(jìn)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(yīng)力的硬殼,避免了常規(guī)淬火在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域進(jìn)行快速冷卻而產(chǎn)生畸變過大和開裂的問題。總之，熱

30、處理變形及開裂的影響因素是十分復(fù)雜的問題，在制定淬火熱處理工藝時，應(yīng)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(xué)性能，合理選擇淬火方法及冷卻介質(zhì)，防止變形及開裂，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(fù)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，能減小應(yīng)力與變形。對形狀復(fù)雜且精度要求較高的模具、量具等，可以用微變形鋼，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?jǐn)?shù)較小的碳鋼以減少變形。2、合理的選擇加熱溫度在保證淬硬的前提下，一

31、般應(yīng)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(dāng)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，也可適當(dāng)提高其淬火溫度來防止弧裝裂紋。 3、合理鍛造及預(yù)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(yán)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(jìn)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(yán)格的工件，在加工過程中，要進(jìn)行去應(yīng)力退火。對于形狀復(fù)雜的零件在淬火前進(jìn)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(yù)備熱

32、處理，一般是在鑄造后立即進(jìn)行退火或正火。依據(jù)不同的情況。采用不同的預(yù)備熱處理方法：（1）低碳鋼應(yīng)該選用正火處理，以獲得均勻的鐵素體加細(xì)片狀的珠光體組織。（2）中碳鋼及合金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(yīng)力，則采用去應(yīng)力退火即可。（4）較大的大型鑄件，往往會出現(xiàn)枝晶偏析，這是可以采用均勻化退火處理。4、合理設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)尺寸工件結(jié)構(gòu)盡量對稱，減少截面的厚薄懸殊，避免尖角和薄邊及厚薄交界處應(yīng)該平滑過渡。（1）避免尖角、尖棱零件尖角、尖棱造成淬火應(yīng)力集中，往往會導(dǎo)致淬火裂紋，故要將尖角、棱角加工成圓角、倒角以避免開裂。（2）避免厚薄懸殊厚

33、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)的零件淬火時應(yīng)力分布不均勻，已引起變形，應(yīng)改為封閉結(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，熱處理后再切開槽口。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)果變形較大。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(fù)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，而且方便于維修。5

34、、采用合理的熱處理工藝（1）采用一次或多次預(yù)熱為了減小熱應(yīng)力應(yīng)緩慢加熱以減小工件的溫差，尤其對形狀復(fù)雜或?qū)嵝缘母吆辖痄撝乒ぜ＞撸捎靡淮位蚨啻晤A(yù)熱，課減小變形、防止開裂。此外，適當(dāng)降低淬火溫度或采用預(yù)冷淬火，都有利于減小變形。（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(yīng)力和組織應(yīng)力，將變形降低到最小程度。分級淬火、等溫淬火只適應(yīng)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(dāng)工件冷卻至Ms點以下時，應(yīng)該停止運動。長軸類零件，垂直淬火，上下移動。厚薄不

35、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)。對薄壁環(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)氣泡的排除。同理。具有凹面的工件，應(yīng)該講凹面朝上淬入。對薄壁件，側(cè)向淬入，在可能的條件下，工件的尖、薄處要進(jìn)行預(yù)冷。另外，講某些孔用石棉堵死；薄壁部位用石棉繩包裹；在容易變形的一側(cè)綁加強筋進(jìn)行淬火均能減小熱處理變形、防止開裂。7、預(yù)留合理的加工余量工件進(jìn)行熱處理，加熱冷卻并伴隨組織轉(zhuǎn)變，必然產(chǎn)生熱應(yīng)力、組織應(yīng)力，因此在零件加工過程中必須留有合理的加工余量，這樣既可簡化熱處理操作，又不使隨后機(jī)械加工時增加過大的工作量。8、合理的安排工藝路線圖4是45鋼制齒輪，它有4個直徑為35mm孔靠近齒根。若先加工出這些孔再進(jìn)行高頻淬火，則齒部靠近直徑為35mm孔的節(jié)圖將會變小，在高頻淬火后再鉆這4個孔，可減小變形，保證精度。圖4 45鋼制齒輪9、修改技術(shù)要求對于某些發(fā)生變形、開裂的零件，可以修改技術(shù)