淬火應(yīng)力變形開裂

關(guān)于淬火應(yīng)力變形開裂3.4.1淬火時(shí)工件的內(nèi)應(yīng)力工件冷卻時(shí),由于工件的表層和心部冷縮的不同時(shí)性,造成的內(nèi)應(yīng)力。熱應(yīng)力的變化規(guī)律：冷卻前期,表層受拉,心部受壓；冷卻后期,表層受壓,心部受拉。1熱應(yīng)力的變化規(guī)律熱應(yīng)力組織應(yīng)力

Ac1圖3-21工件冷卻時(shí)熱應(yīng)力示意圖瞬時(shí)應(yīng)力殘余應(yīng)力

第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

由于在低溫時(shí)鋼的屈服強(qiáng)度已較高，塑性形變較為困難,故熱應(yīng)力狀態(tài)將一直保留下來,而成為殘余內(nèi)應(yīng)力。徑向應(yīng)力：心部為拉應(yīng)力,表面應(yīng)力為零，軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力：表面均為壓應(yīng)力，心部均為拉應(yīng)力，特別是軸向拉應(yīng)力相當(dāng)大.熱應(yīng)力分布的特征：第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天大型軸類零件(如軋輥等)：因冷卻后心部軸向殘余拉應(yīng)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(duì)一般形狀簡單的小軸類零件,表面壓應(yīng)力可提高其疲勞抗力.熱應(yīng)力的影響：不利影響有利影響第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2組織應(yīng)力的變化規(guī)律淬火冷卻時(shí)，由于工件的表層和心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變體積膨脹的不同時(shí)性而造成的內(nèi)應(yīng)力稱為組織應(yīng)力.（比容不同）組織應(yīng)力的變化規(guī)律：冷卻前期,表層受壓,心部受拉；冷卻后期,表層受拉,心部受壓。即組織應(yīng)力的方向及其變化規(guī)律,正好與熱應(yīng)力相反。

0.2-0.4wt%的A的比容0.12227-0.12528cm3/g,M的比容0.12708-0.13061cm3/g第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天組織應(yīng)力分布的特征：軸向和切向應(yīng)力:表面為拉應(yīng)力,且切向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力,心部為壓應(yīng)力；徑向應(yīng)力:

表面為零,心部則為壓應(yīng)力。圖3-24含16%Ni的Fe-Ni合金圓柱試樣(直徑50mm)自900℃緩冷至330℃，急冷至室溫后的殘余內(nèi)應(yīng)力(組織應(yīng)力)第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3淬火應(yīng)力及對(duì)其分布的影響因素⑴含碳量的影響：隨含碳量增加，熱應(yīng)力作用逐漸減弱，組織應(yīng)力逐漸增強(qiáng)。⑵合金元素的影響：①鋼中加入合金元素，其熱傳導(dǎo)系數(shù)下降，導(dǎo)致熱應(yīng)力和組織應(yīng)力增加;②多數(shù)合金元素使Ms點(diǎn)下降→熱應(yīng)力作用增強(qiáng)；③凡增加鋼淬透性的合金元素，在工件沒有完全淬透的情況下，有增加組織應(yīng)力的作用。⑶工件尺寸的影響：①在完全淬透的情況下，隨著工件直徑的增加，淬火的殘余應(yīng)力將由組織應(yīng)力型轉(zhuǎn)化為熱應(yīng)力型。②在不完全淬透的情況下，所產(chǎn)生的應(yīng)力特性與熱應(yīng)力相類似的，表層受壓,心部受拉。

⑷淬火介質(zhì)和冷卻方法的影響：淬火介質(zhì)在不同工件冷卻溫度區(qū)間是不相同的，因此也影響淬火內(nèi)應(yīng)力分布，在Ms點(diǎn)以上冷卻時(shí)快，Ms點(diǎn)以下冷卻慢，為熱應(yīng)力型，反之為組織應(yīng)力型。第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.4.2淬火時(shí)工件的變形體積變化,

（工件體積按比例地脹大或縮?。﹥煞N主要形式工件幾何形狀的變化(通常稱為翹曲）是組織轉(zhuǎn)變時(shí)比容變化而引起的淬火工件中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起把組織轉(zhuǎn)變所引起的體積變化稱為體積變形,也叫比容差效應(yīng)。概念第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天1引起各種變形的原因及其變化規(guī)律⑴淬火前后組織變化引起的體積變形工件在淬火前組織一般為珠光體組織，而淬火后為馬氏體組織。由于組織的比容不同，引起體積變化，產(chǎn)生變形。一般是使工件的體積在各個(gè)方向上作均勻的脹大或縮小,但不改變形狀。next第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天⑵熱應(yīng)力引起的形狀變形使工件沿最大尺寸方向收縮,沿最小尺寸方向脹大,即力圖使工件的棱角變圓,平面凸起,變得趨于球狀,其形狀正好像一個(gè)真空中受內(nèi)壓的容器一樣.第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天⑶組織應(yīng)力引起的形狀變形(與熱應(yīng)力相反),使工件沿最大尺寸方向伸長,沿最小尺寸方向收縮,力圖使工件棱角突出,平面內(nèi)凹,其外形好像一個(gè)承受外壓的真空容器一樣。第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

2.影響淬火變形的因素⑴影響體積變形和形狀變形的因素⑵其他影響淬火變形的因素①夾雜物和帶狀組織對(duì)淬火變形的影響淬火變形具有方向性，縱向>橫向②工件截面形狀不同或不對(duì)稱對(duì)淬火變形的影響

一般來說,形狀簡單、截面對(duì)稱的工件,淬火變形較小，而形狀復(fù)雜、截面不對(duì)稱的工件,淬火變形較大。

這是由于截面不對(duì)稱時(shí)會(huì)使工件產(chǎn)生不均勻的冷卻,從而在各個(gè)部位之間產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。

通常,在棱角和薄邊處冷卻較快;有凹角和窄溝槽處冷卻較慢;外表面比內(nèi)表面冷卻快;圓凸外表面比平面冷卻快。第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天③

淬火前殘余應(yīng)力及加熱冷卻不均勻?qū)ψ冃蔚挠绊?/p>

例如機(jī)械加工、焊接、校正等均能產(chǎn)生殘余應(yīng)力,如果淬火前不進(jìn)行退火來消除應(yīng)力,淬火后可能增加變形。第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

3.4.3淬火裂縫①拉應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度σb;②內(nèi)應(yīng)力雖不太高(未超過材料的斷裂強(qiáng)度),但材料存在內(nèi)部缺陷，如非金屬夾雜物、碳化物偏析或者粗大第二相。產(chǎn)生淬火開裂的根本原因1.縱向裂縫：沿著工件軸向方向由表面裂向心部的深度較大的裂縫。第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天2.橫向裂縫和弧形裂縫：常發(fā)生于大型軸類零件上。3表面裂縫(或稱網(wǎng)狀裂紋)：這是分布在工件表面的深度較小的裂縫。第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.5確定淬火工藝規(guī)范的原則、淬火工藝方法及其應(yīng)用

淬火工藝規(guī)范包括：1)淬火加熱方式、2)加熱溫度、3)保溫時(shí)間、4)冷卻介質(zhì)及冷卻方式等。確定工件淬火規(guī)范的依據(jù)是工件圖紙及技術(shù)要求，所用材料牌號(hào)，相變點(diǎn)及過冷奧氏體等溫或連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，端淬曲線，加工工藝路線及淬火前的原始組織等。只有充分掌握這些原始材料，才能正確地確定淬火工藝規(guī)范。第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.5.1淬火加熱方式及加熱溫度的確定原則亞共析鋼為Ac3+30～50℃共析鋼和過共析鋼為Ac1+30～50℃。淬火加熱溫度:對(duì)碳鋼,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)淬火加熱方式：

加熱介質(zhì)應(yīng)采用保護(hù)氣氛加熱或真空加熱，避免氧化脫碳。加熱方式一般為熱裝爐，對(duì)工件尺寸較大、形狀復(fù)雜的高合金鋼，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)批量大小，采用預(yù)熱加熱，或分區(qū)加熱等方式。第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

淬火加熱溫度溫度時(shí)間冷卻加熱Ac3+30～50℃亞共析鋼-淬火一般在Ac3+30～50℃加熱,可得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒,淬火后即可得到細(xì)小的馬氏體組織；a亞共析鋼淬火：但若加熱溫度低于Ac3,組織中將會(huì)保留一部分鐵素體,使淬火后強(qiáng)度、硬度都較低；而加熱溫度過高,①又易引起奧氏體晶粒粗化,淬火后獲得粗大馬氏體，鋼的性能變壞，②加熱保溫過程的氧化脫碳嚴(yán)重，③淬火后變形、開裂傾向大。由于Ac3+30～50℃這一淬火加熱溫度處于完全奧氏體的相區(qū),故又稱作完全淬火。第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天加熱溫度過高：高于Accm以上,則會(huì)：①由于滲碳體全部溶入奧氏體中,使淬火后鋼的耐磨性降低;②使奧氏體晶粒顯著粗化,淬火后得到粗大馬氏體,使形成顯微裂紋的傾向增大；③由于奧氏體中碳含量顯著增高，使Ms點(diǎn)降低,淬火后殘余奧氏體量將大大增加,使鋼的硬度降低，④使鋼氧化、脫碳加劇,也使淬火變形和開裂傾向增大,同時(shí)還縮短爐子的使用壽命，等。

b共、過析鋼淬火：Ac1+30～50℃溫度時(shí)間冷卻加熱Ac1+30～50℃共、過共析鋼-淬火第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天C低合金鋼淬火：淬火加熱溫度也應(yīng)根據(jù)其臨界點(diǎn)(Ac3或Ac1)來選定，但考慮到合金元素的影響,為了加速奧氏體化而又不引起奧氏體晶粒粗化,一般應(yīng)選定為Ac3(或Ac1+50～lOO℃)。d確定淬火加熱溫度時(shí)，尚應(yīng)考慮工件的形狀、尺寸、原始組織、加熱速度、冷卻介質(zhì)和冷卻方式等因素第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天影響淬火加熱時(shí)間的因素②工件的形狀與尺寸①鋼的成分③加熱介質(zhì)④裝爐情況⑤爐溫①鋼的成分鋼中碳及合金元素含量增多,將使鋼的導(dǎo)熱性下降,故保溫時(shí)間應(yīng)增加;高碳鋼>低碳鋼,合金鋼>碳素鋼,高合金鋼>低合金鋼合金元素比碳擴(kuò)散慢得多,顯著延緩鋼中的組織轉(zhuǎn)變保溫時(shí)間3.5.2淬火加熱時(shí)間的確定原則第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天②工件的形狀與尺寸對(duì)于相同材料與形狀的工件,當(dāng)加熱條件相同時(shí),保溫時(shí)間將隨其有效厚度的增大而延長。有效厚度：工件在受熱條件下在最快傳熱方向上的截面厚度。圓柱體-----→直徑圓盤-----→本身厚度筒形工件----→(D’-d)/2,其中D’為外徑,d為內(nèi)徑第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天預(yù)熱的作用在于消除淬火加熱前存在于工件中的殘余內(nèi)應(yīng)力,減小高溫加熱時(shí)工件表里(或厚薄部分)的溫差,以及由此而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,并能縮短工件在高溫透熱或保溫時(shí)間。在高溫下保溫時(shí)間縮短，可以減輕工件的氧化、脫碳以及過熱傾向。對(duì)碳鋼及一般合金鋼，往往采取一次預(yù)熱，其預(yù)熱溫度為550~650℃；對(duì)高合金鋼(如高速鋼)，往往采取兩次預(yù)熱，第一次為600~650℃，第二次為800~850℃.對(duì)于形狀復(fù)雜或尺寸較大的碳素工具鋼及合金工具鋼工件,常在淬火加熱前采取預(yù)熱。第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天③加熱介質(zhì)加熱介質(zhì)不同,則加熱速度不同,因而保溫時(shí)間也隨之不同。在一般生產(chǎn)中,以鉛浴爐加熱速度為最快,鹽浴爐次之,空氣電阻爐為最慢.表保溫時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天④裝爐情況裝爐量大時(shí)，保溫時(shí)間應(yīng)延長。工件在爐中的放置及排列情況對(duì)其受熱條件有明顯影響,故裝爐情況不同,其保溫時(shí)間也不同。

⑤爐溫提高爐溫,可縮短加熱保溫時(shí)間?？焖偌訜嵋言谏a(chǎn)上得到應(yīng)用,是將工件放入比正常加熱溫度高出約100～200℃左右的爐中進(jìn)行加熱；為防止過熱,須嚴(yán)格控制加熱保溫時(shí)間。第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天3.5.3淬火介質(zhì)及冷卻方式的選擇與確定淬火介質(zhì)的選擇：首先，應(yīng)在滿足工件淬透層深度要求的前提下，選擇淬火烈度最低的淬火介質(zhì)。其次，還應(yīng)考慮其冷卻特性，在鋼的過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)有足夠的冷卻能力，而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻緩慢。實(shí)踐中，往往把淬火介質(zhì)的選擇和冷卻方式相結(jié)合。第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(1)單液淬火法在整個(gè)冷卻過程中,工件表面與中心的溫差較大,這會(huì)造成較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,從而易引起變形和開裂。淬火介質(zhì)：一種(如水、油或其他等)。工藝：工件經(jīng)加熱后,直接淬火。淬火方法簡便、經(jīng)濟(jì)、易于掌握,故廣泛用于形狀簡單的工件淬火。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：3.5.4淬火方法及其應(yīng)用第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(2)雙液淬火法(雙淬火介質(zhì)淬火法、中斷淬火法)優(yōu)點(diǎn)：先快冷可避免過冷奧氏體的分解,后慢冷可有效地降低變形和開裂傾向。工藝:把加熱到淬火溫度的工件，先在冷卻能力強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至接近Ms點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)入慢冷的淬火介質(zhì)中冷卻至室溫，以達(dá)到不同淬火冷卻溫度區(qū)間，有比較理想的淬火冷卻速度．這樣既保證了獲得較高的硬度層和淬硬層深度又可減少內(nèi)應(yīng)力及防止發(fā)生淬火開裂．一般用水作快冷淬火介質(zhì)，用油或空氣作慢冷淬火介質(zhì)。第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天(2)雙液淬火法缺點(diǎn)：需要操作者具有較熟練的操作技術(shù),否則難于掌握好。關(guān)鍵：是控制工件的水冷時(shí)間,據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),碳鋼工件厚度在5～30mm時(shí),其水冷時(shí)間可按每3～4mm厚度冷卻1s來估算,對(duì)于形狀復(fù)雜的或合金鋼工件,水冷時(shí)間應(yīng)減少到每4～5mm厚度冷卻1s。第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)點(diǎn):(3)分級(jí)淬火法工藝：將加熱好的工件置于溫度稍高于Ms點(diǎn)的熱態(tài)淬火介質(zhì)中(如融熔硝鹽、熔堿或熱油),保溫一定時(shí)間,待工件各部分的溫度基本一致時(shí),取出空冷(或油冷)，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變.縮小了工件與冷卻介質(zhì)之間的溫差,因而明顯減小了工件冷卻過程中的熱應(yīng)力；通過分級(jí)保溫,→使整個(gè)工件溫度趨于均勻,在隨后冷卻過程中工件表面與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性明顯減小；分級(jí)后處于奧氏體狀態(tài)的工件，具有較大的塑性(相變超塑性)，因而創(chuàng)造了進(jìn)行工件的矯直和矯正的條件．因而高于Ms點(diǎn)分級(jí)溫度的分級(jí)淬火，廣泛地應(yīng)用于工具制造業(yè)．對(duì)碳鋼來說，這種分級(jí)淬火適用于直徑8一lOmm工具.工件淬火時(shí)的變形和開裂傾向可顯著減少。第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天缺點(diǎn):(3)分級(jí)淬火法分級(jí)淬火只適用于尺寸較小的工件．對(duì)于較大的工件，由于冷卻介質(zhì)的溫度較高，工件冷卻較緩慢，因而很難達(dá)到其臨界淬火速度。某些臨界淬火速度較小的合金鋼沒有必要采用此法，因?yàn)樵谟?/p>