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发表于 2010-12-8 10:07:38
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本帖最后由 wanggong 于 2010-12-9 11:55 编辑
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浅谈热处理变形的一般规律与微观机理
一．关于铁碳合金相图与CCT冷却曲线
（1）从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
（2）CCT(Continuous Cooling Transformation)曲线反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据，也是制订热处理工艺的重要参考资料。
二．构建热处理变形的物理（数学）模型
通常非专业性资料介绍认为，热处理变形目前尚无物理或数学模型。实际上通过静力学，几何学，物理学三个方面的知识还是可以建立起一套完整的数学方程。首先通过静力平衡分析建立平衡方程以联系应力，体力（重力和惯性力）和面力之间的关系；然后根据物体内任意两点形变后既不分离也不相互重叠的性质，可以建立连续性方程（协调方程），从而把应变，位移和边界位移之间的关系联系起来；最后通过虎克定律（假定弹性体；塑性变形则需通过广义虎克定律，利用正弹性模数E，切弹性模数G，泊松系数γ；塑性变形可分三个阶段，应力应变曲线大体呈抛物线状）来联系应力和应变的关系。值得注意的是应力（σ）在物理学上来说是一种面积力，在一般情况下，作用在物体内部任一小面元的应力沿X，Y，Z坐标轴可分解为三个应力分量即一个正应力和两个剪应力。正应力和切应力在金属塑性变形和断裂过程中的作用是不同的：正应力一般是导致脆性断裂，切应力引起塑性变形和导致韧性断裂。用数学表达式上来说，应力是个张量，需用矩阵表达式来表示，即如艾雷Airy应力函数 Q(x,y)，空间取向较二维矢量（向量）更为复杂。可以证明：任一双调和函数都可作为应力函数。应力在数学上也可用应力状态软性系数а表达，а也是标示应力状态的方法。测定应力的方法有：机械法，电阻法，光弹性复膜法，脆性涂料法，声学法，X射线法（照相法，衍射仪法）。应力测定仪在测定大型零件或结构件在动态过程中各瞬时内的应力分布情况，还有困难。在工厂生产实践甚至科学实验中，限于各种技术条件，建立边界条件方程即把外加应力和物体内部的应力联系起来也比较困难。
实验与分析表明：在塑性变形中外力所作的功除大部分转化为热之外，由于金属内部形变的不均匀及点阵畸变，尚有一小部分以畸变能的形式储存在形变金属内部，其大小因金属的形变量，形变方式，形变温度及形变金属的性质而异。储存能的具体表现方式：宏观残余应力，微观残余应力，点阵畸变。宏观残余应力是由于金属材料（或零件）各个部分（如表面与心部）的宏观形变不均匀引起，其平衡范围为金属的整个体积；微观残余应力是由于晶粒或晶块的形变不一致或不均匀引起的，其平衡范围为几个晶粒或几个晶块；点阵畸变是由于金属在塑性变形中生成的大量点阵缺陷（如空位，位错，原子间隙等）引起，其平衡范围是几百至几千埃（A）。残余应力及形变使金属内部结构处于热力学不稳定状态，根据热力学的熵增加原理，因而它有一种使形变金属恢复到自由焓最低的稳定结构状态的自发趋势。
三．热处理变形规律与经验公式
热处理是一门理论性，实践性都很强的学科，理论上的难度并未阻挡热处理工作者探索热处理变形规律的步伐，在长期的生产实践中，热处理工程师们总结了很多规律性的经验。本公司赣州工厂2009年度《渗碳齿轮热处理变形的影响因素及控制方法》即从六个方面详述了热处理变形的一般规律，可资参考与借鉴，值得好好学习！其中第18/19页《变形规律的数理统计及加工量预留》更是凝结了作者的心得，也为我们指明了解决热处理变形的工作方法。需要注意的是变形数据的正态分布值每个工件的性能指标中心值X与标准差S不会相同，需要从实验中去提取。大的薄壁件或空心长轴件的热处理变形控制是难点，其微观机理即为在两向拉伸的平面应力状态，有两个主应力和三个主应变。也有些资料从五个方面26种因素77个子因素或从七个方面38个子因素展开介绍，这些都可从网上查询，在此不作详述。
下面与大家分享一点经验与心得：
1）齿轮变形（方向/变化量）：顶圆和公法线都会涨大，螺旋角会偏大的趋势 --- 变化量与零件大小结构等诸多因素有关，根据成组技术，利用相似相同原理，通用工件大多在0.1mm左右，越小越好。
2）齿轮变形方向（方向/变化量）：花键孔会收缩 --- 变化量与零件大小结构等诸多因素有关，通用工件大多在0.05mm左右
备注：关于第一项，第二项，有时也有反规律的情况出现，这就需要具体问题具体分析。理解上可认为马氏体的体积要比珠光体大,比奥氏体更大，当奥氏体向马氏体转变时,体积会发生膨胀,最大约4%.体积的这一变化不可能在钢体表里层之间,各晶粒之间,甚至一晶粒内各部分之间同时均匀地进行.这样,由组织转变而引起体积变化的不均匀性,会在钢体内部造成很大的应力(组织应力).这一应力足以使塑性很差的钢,特别是含碳量大于0.35%的钢,在室温停放过程中变形和开裂。由于零件各部分加热（冷却）不同步即温差造成的热应力与由于零件各部分组织转变的不同步即相变时间差造成的组织应力相互交错作用的综合结果虽有规律可循，却较难预测。
3）轴类变形，圆跳动变形不可太大，通过热后校直可以达到0.05mm甚至0.03mm
4）盘类零件与油面垂直，轴类零件立装（盘状面积不大也可立装，短轴也可横装） ---- 目的使工件加热冷却均匀，以减少热应力不均，组织应力不均
5）齿轮材料冶金因素对变形的影响 试验表明，钢的淬透性越高，变形越大
6）油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小 ---- 油性介质的冷却速度较慢，而水性介质的冷却速度则相对快一些
7）预备热处理对齿轮变形的影响 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
8）合理地设计 --- 断面尺寸均匀，圆角过渡
四．结合具体产品的指导意义
前面提过从理论上来说热处理变形均匀性很小的情况之下通过移动公差带的方法可以减免热后精加工的工序，预留加工量的方法其实与这个思路是一致的，只是更为安全的考虑：对于外圆来说，热后成品参数的下限值-热处理变形的最小量即是热前参数的下限值；对于内孔来说，热后成品参数的上限值-热处理变形的最大量即是热前参数的上限值；工厂生产实践中出于保险目的，这个值因为有热后精加工还会修订为内孔略为偏小或外圆略为偏大以策安全。齿轮加工工艺路线热后都有硬车，强力珩或磨齿工序，热处理变形控制仍需注意，特别是薄壁件的变形或空心轴的热后跳动，要保证在工艺规定的范围内，热处理工艺参数温度，时间，碳势，工装，冷却介质，甲醇流量，氮气流量，丙酮流量等等，需要我们认真仔细对待。通过成组技术，利用相似相同原理，比对相同或相类似已试产或量产的产品的工艺参数，结合热处理基本原理（铁碳合金相图与冷却C曲线），初步确认热处理工艺参数，在试产中再调整至最佳。
热处理工艺不仅要保证硬度，渗层，金相组织符合要求（间接保证工件的机械性能，力学性能），而且要保证工件的变形尽可能地减小，主要是齿轮热后的各项参数要符合要求，必须在公差范围之内。为此要检查热前公差，热后公差是否合理，必要时要进行冷热加工技术协调，对机加工工艺参数提出修订意见或建议。从某种意义上来说，通过移动公差带或预留加工量的方法来控制工件的最终产品尺寸，有些指标参数的热处理变形量大并不可怕，最让人担心的是变形的不均匀性。新技术新工艺新设备正是通过改善热处理工艺过程参数的精度和均匀性来保证变形的均匀性，这就需要我们加强学习，了解热处理技术发展趋势，掌握新技术新工艺，采用新设备，以保证产品质量。
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发表于 2010-12-28 22:18:26
