1、 b:油中全淬透时,表层具有拉应力,心部为压应力,即属于单一的组织应力分布规律.未淬透时,表层具有压应力,心间为拉应力,但应力变化较缓和. c:在穿透淬火时,水淬钢的最大拉应力值显现在钢件表面附近,油淬钢的拉应力显现在钢的表面.这种表面附近的拉应力是形成淬火裂纹的主要危险.这时切向应力大于轴向应力,易形成纵向裂纹. 3）钢件尺寸大小和形状的影响: 内孔直径很小的圆套筒的淬火应力是内孔的表面和外表面具有压应力,中间层为拉应力.内孔直径稍大时,随壁厚的减小热应力的影响急剧减小,从而其残余应力的分布是内表面和外表面具有拉应力,中间层具有压应力.在淬火效果差时,内表面产生的拉应力将很大,故内径小的高碳
2、钢套筒内壁易产生淬火裂纹.内径进一步增大,壁厚进一步减小时,组织应力的影响增强,热应力分布减弱,则总的淬火应力趋于降低. 4）钢件表面脱碳的影响:脱碳使得钢伯的脱碳层具有拉应力. 脱碳层浓度不同,其应力分布也有差别:随脱碳层浓度的增加,表面的切向应力由压应力转变为拉应力.轴向应力则随脱碳层浓度的增加,开始为拉应力而后转为压应力.3.钢的内应力的分解: 1）径向应力: 2）轴向应力: 3）切向应力:3.钢件表面淬火时的残余应力: 1）高频淬火后钢的内应力: 2）火焰淬火后钢的内应力: 表面具有压应力,中心具有拉应力.4.化学热处理后钢件内的残余应力: 1）渗碳淬火后钢的内应力: 2）氮化钢的内应
3、力:2.热应力塑性变形的作用结果是使轴类零件的长度收缩,直径变粗;使饼形零件直径收缩,厚度增加;使环形零件的内孔和外径收缩,厚度增加.在生产中主要表现为零件的尺寸收缩.如50#,T10A钢,20200试样加热至720-740水淬一次,长度方向的收缩变形量约0.4mm. 因淬火时形成的马氏体比容比奥氏体的大,硬度高,塑性条件差,故钢淬火冷至马氏体转变区的应力变形主要以拉伸应力变形为主.组织应力使杆状零件长度伸长,直径减缩;使圆饼形零件直径胀大,厚度减少.3.杆状零件,一般应力作用的主导主向都是轴向.圆饼形零件主导应力主向都是径向.简单的立方体零件应力最集中的部位是八条棱角边.应力变形取决于主导应
4、力方向应力作用类型和大小.4.淬火体积变形的大小还与下列因素有关: 1）.淬火前后的组织比容差别: 2）.提高淬火加热温度时,奥氏体中合金元素的溶解量增加,使淬火后马氏体比容增大,但同时引起残余奥氏体量增加.在常规淬火范围内,对低合金工具钢,多数是以提高淬火加热温度使马氏体比容增大引起体积变形增加的效应为主，而对高碳高铬钢则不同 3）.零件全淬透时体积变形量最大,淬硬层愈浅,体积变形量愈小. 4）.凡使残余奥氏体量增加的各种方法如分级等温淬火,等温级冷等都可使体积变形量减少. 5）.除在回火时促使残余奥氏体转变的情况外,其它回火形式都使体积尺寸收缩. 淬火冷却激烈的碳素钢零件内应力塑性变形大.
5、采用分级等温淬火的高合金钢内应力变形小.碳和合金含量高,淬透性好的高合金钢比容变形表现比较明显.只有淬火后能控制残余奥氏体量和马氏体温表合金浓度并能运用分级等温淬火的钢种比容变形和内应力变形都较小. 二:钢件的热处理裂纹:1.纵向裂纹:由工件表面裂向心部的深度较大的裂纹.它往往发生在完全淬透的工件上.是由切向应力引起的.2.横向裂纹和弧形裂纹:往往性生于大锻件的热处理时.断口特点是垂直于轴向方向,断口中心附近有破坏的起点,以此为中心向四周有放射的断裂扩张痕迹.横向断裂属于热应力引起.弧形裂纹往往发生在未淬透的或经过渗碳淬火的工件上,主要产生于工件的内部,工在尖锐棱角及孔洞附近,即易于造成应力集
6、中处.3.表面裂纹:4.剥离裂纹:5.影响淬火裂纹的因素: 1）钢的化学成分对淬火裂纹敏感性的影响: 2）原材料缺陷对淬火时形成裂纹的影响:3）钢件结构特点对形成裂纹的影响:4）淬火前原始组织和应力状态对裂纹的影响:5）加热因素对形成裂纹的影响:6）冷却因素对形成裂纹的影响:6.防止淬火裂纹的措施: 1）改善钢件结构,合理选择钢材和确定技术条件: 2）妥善安排冷热加工工序和正确应用预先热处理: 3）正确选择加热介质,加热时间和保温时间: 4）合理选用冷却介质和冷却方法:5）其它方法:7.钢件的表面淬火裂纹形成及防止措施:8.钢件化学热处理裂纹的形成及防止措施:二:碳素钢 1.中碳钢:含碳较低的
7、钢,水冷淬火沿主导应力方向有较小的胀大变形率,随含碳量的增加变形率增大,至含碳量达0.45-0.5%时,胀大变形率出现峰值,增至0.45-0.52%. 之后随含碳量增加,胀大变形率又渐渐减小. 当含碳量增至1.0%时,变形率接近零（饼形试样开始出现负值,杆状试样仍有微量胀大）.含碳量大于1.2%时,变形为负值,即表现为主导应力方向上的改缩.同时相对应方向产生少量的相应变形,含碳高的T10, T12钢的非主导应力方向的胀大变形量大于中碳钢. 2.分析:不论在退火状态或淬火状态,钢的比容均随含碳量的增加而增大,淬火前后的比容变化差,也是随含碳量的增加而增大,而马氏体比容较小的中碳钢40,50在水冷
8、淬透下表现为最大的组织应力特征,而马氏体比容较大的T10, T12却表现为很小的组织变形特征或者是热应力特征,其原因应从淬火冷却过程中热应力和组织应力的作用过去过程和产生塑性变形的条件来分析: 1）MS 点温度的高低,直接关系零件冷却时两种应力作用的大小,塑性变形方向和变形量的多少.其值低时热应力作用区增大,MS 接近室温时冷却过程全部处于热应力作用下,变形特征将全部表现为热应力型变形特征. 2）MS 温度较高的钢在马氏体转变时的冷却速度较快,MS 温度低的钢在马氏体转变区的冷却速度慢.如5%食盐水在相当于中碳钢转变温度300-500时的冷却速度为1600/ S,而在相当T10A马氏体转变点1
9、80-200时的冷却速度降低至350/S. 3）MS 温度的变化,改变了马氏体转变时相邻区域奥氏体的塑性状态,从而影响了塑性变形阻力的大小. 4）低碳钢在主导应力方向的胀大变形小于中碳钢,是由于低碳钢具有较低的奥氏体稳定性.即使是截面很小的试样在水中淬火也难得到纯马氏体组织.另一方面,由于转变产物为低碳马氏体,比容较小,因比容变化差而产生的组织应力和应力塑性变形也较小. 3.影响中碳钢及中碳合金钢淬火变形的因素: 中碳钢及中碳合金钢用水淬火的变形主要表现为主导应力方向的胀大,属于组织应力变形的特征.如圆饼,圆环以及扁方零件,水淬变形主要表现为内孔,外径或长宽,孔距方向的胀大,对筒形零件表现为内
10、孔,外径和高度的胀大. 1）零件的截面尺寸: A:淬透零件:中碳钢水淬的最大尺寸15mm,40Mn,45Mn2V,40Cr约为30-50mm.淬透尺寸范围之内最大变形率是0.45-0.55%.随截面尺寸增大,淬火冷却时温差大,相变的不等时性明显,组织应力增大,应力作用时机的可塑性条件较好,组织应力变形量增大. B:淬不透零件:当中碳钢截面尺寸为20-25mm时,胀大变形率减小至约0.3%.截面尺寸增加至30-35mm时,水淬胀大变形率减小一对该钢最大变形率的1/2左右,即0.25%左右.中碳钢45,50能淬透截面尺寸约是12-15mm,钢的最大胀大变形率的截面也正好是这个尺寸. 中碳低合金钢水
11、淬时最大胀大变形率可保持到较大的截面尺寸.对40Cr可保持至60-80mm. 2）淬火加热温度: 中碳钢的胀大变形率,是随淬火加热温度的提高而增加的. 3）淬火冷却方式:淬火介质:可低温硝盐中淬火,可明显地减小胀大变形（淬透性差的中碳钢大部分在高温区即开始转变为索氏体等比容变化较小的相结构）.采用150-180的碱浴淬火时,也能减小胀大变形,但不如硝盐淬的效果好,其变形率一般是0.15-0.25%,但比采用硝盐时的硬度较高.淬透性较高的低合金钢在采用低温硝盐淬火时也能获得较小的胀大变形,但比淬透性差的中碳钢胀大变形量大,一般为0.1-0.15%. 除硝盐外,其它各类水溶性介质防胀大变形效果均不
12、显著.水冷方式:截面厚度均匀的套管,大多数先入水一端的胀大变形量要大于另一端.为防止这一变形,可在先入水前局部预冷先入水一端,或将套筒放在环形铁板上淬火.中碳高合金钢采用油或低温硝盐淬火冷却时,其胀大变形率比其它钢号稳定,一般胀大变形率为 0.12-0.14%.4.回火对变形的影响:零件尺寸均随回火温度的提高而使收缩变形量增加.大多数钢号当回火后获得HRC35-40的硬度时,其尺寸收缩量大约是淬火后变形量的1/2.5.淬火胀大变形的控制:有较大灵活性.而高碳工具钢一旦出现淬火收缩则很难恢复. 1）:调整淬火前加工余量.截面尺寸小于20mm的中碳钢套筒按零件尺寸的0.4%,截面尺寸2050mm的
13、零件按0.2-0.3%.零件尺寸小的中碳合金钢零件可地考虑调整量,零件尺寸大于300mm时可按减小0.1-0.15%来调整.（要注意批时大小和要求的硬度高低） 2）淬火前进先进行收缩处理. 3）用较低的淬火加热温度加热 4）用高频局部加热淬火 5）淬火前进行渗碳处理 6）选择胀大变形小的淬火介质淬火. 7）适当缩短水冷时间并配合等温冷却,即水淬硝盐等温冷却. 8）淬火前进行防止胀大的覆盖保护措施,如包铁皮,石棉. 9）合理调整回火温度 10）淬火前在粗加工后进行调质处理,使钢的原始组织比容增大等.三碳素工具钢: T8A,T10A,T12A钢制零件和模具,除截面尺寸很小的套管,薄板细轴等小零件水
14、淬后出现胀大变形外（主要是比容变形）,大部分中小截面（大于10mm而小于50mm）的模具,量规等的淬火变形主要都表现为主导应力方向上的尺寸收缩.含碳量高的T12A收缩变形量最大 1.淬火加热温度对T10A,T12A钢变形的影响: 淬火加热温度对截面较小的T10A,T12A钢试样,无论加热温度的高低各个方向上的淬火变形均倾向于胀大,但随加热温度的升高,主导应力方向上的胀大变形率明显减小,甚至会出现收缩,而相应方向的胀大变形率明显增加. 2）截面尺寸在12-25mm的所有试样在相同的热处理条件下,在主导应力方向上的塑性收缩变形率比小截面和大截面试样都大,而且收缩变形率受淬火加热温度的影响更为明显,
15、淬火加热温度从770升高至830-840时,收缩变形率将近增加一倍. 3）所有T10A,T12A试样,淬火后的变形率都是随加热温度的升学高难度,主导应力方向的收缩变形率增加.如果低温淬火时的最终变形为胀大,则随淬火温度的升高,胀大变压器形逐渐减小或变为收缩变形（但有一定限度） 4）对大截面的过共析 钢零件的淬火变形也是随淬火加热温度的提高使收缩变形率增加 5）T10A,T12A不同温度下水淬变形的实质: 截面很小的零件热应力作用很小,最终淬火后变形大部是因比容变化而引起的比容变形.同时提高淬火加热温度,钢的马氏体转变温度降低,使热应力作用增大,组织应力减小,故主导应力方向上热应力收缩变形增加或
16、胀大变形减小. 对T10A,T12A钢,截面厚度为12-20mm的零件,当提高淬火加热温度时,零件的淬透程度必然改变,从只能表面淬硬至整个截面全部淬透,而接近淬透的最大临界截面尺寸比易淬透的小截面和淬不透的大截面零件受淬火加热温度的影响较为敏感,热应力收缩变形也最大. 大截面零件=心部或靠近淬硬层处会较早地发生奥氏体向索氏体或贝氏体转变,抵制了热应力塑性收缩变形的作用,故截面尺寸增大至25mm以上,淬火加热温度对变形的影响高越小. 当淬火加热温度升高至A CM 点时,淬火温度对Ms点的影响逐渐消失,故对变形的影响也逐渐减小. 2.淬火加热温度对T8A钢变形的影响: T8A与T10A,T12A同
17、属水淬时易收缩变形的刚号,但收缩变形量不如T10A,T12A明显.其不同之处是T8A随淬火加热温度的提高而使胀大变形增加或收缩变形减小,或随淬火温度的提高,变形由收缩转各胀大. 1）截面厚度不大下20mm小截面零件,在常规热处理工艺范围内,淬火后的变形基本为稍量的胀大变形,淬火温度愈高胀大变形愈大. 2）截面尺寸在25mm附近的零件,较低温度加热时,变形趋向于少量收缩,随淬火温度的提高,淬火变形转向胀大,并随淬火温度的提出高胀大量增加. 3）截面尺寸大于30mm的零件,淬火温度愈低收缩变形量愈大,只有当淬火温度提高警惕至接近或超过常规淬火温度上限810-820时,才开始出现胀大变形. 4）从控
18、制T8A变形出发,对每一具体零件的淬火温度应根据截面厚度作适当调整. 5）T8A与T10A,T12A变形规律不同的实质是:T8A为共析钢,没有自由碳化物存在,提高淬火温度基本上不改变奥氏体的碳浓度,故对Ms点的影响不明显,热应力不会增加.而淬火温度提高却使淬透性增加,使心部硬度增加,强化了组织应力的作用.3.硝盐淬火时的变形: 中碳钢的胀大变形可用收缩处理方法使其尺寸收缩,但对T10A,T12A的收缩变形却没有有效的方法挽救.然而,T10A,T12A钢用硝盐（KNO3 53%+NaNO2 40%+NaNO3 7%另加 0.5%水）淬火时,却很少出现收缩变形,常表现出少量的胀大变形,且胀大变形量
19、随淬火温度的而增加.当采用810-830加热,且截面尺寸较小,能在低温硝盐中使模口边缘淬至高硬度的模具,在硝盐中停留1-2min后转油中淬火,则在主导应力方向均表现为 0.02-0.03%的胀大变形 1）采用硝盐分级淬火并使零件表面和棱角淬至高硬度时,则棱角部分都是翘起的,而零件平面部分多数都表现为凹陷 ,这与用水淬火易收缩变形的零件表面状况正好相反,后者是棱角下塌而中间平面鼓起.两种淬火方式出现不同表面形态特征,实质是两种不同淬火冷却方式,导致零件在冷却时沿截面的各个区域组织转变先后次序发生了改变,从而改变了冷却过程中的应力作用状况和应力塑性变形方向2）水淬碳工钢在能淬透情况下,总是零件的表
20、面或棱角首先转变为马氏体,而在用硝盐分级淬火焊,零件表面和棱角在高温共能躲过S曲线鼻部的产部分淬硬区,总是在零件从硝盐中取出后空冷或油冷时才大量转变为马氏体,但不能淬硬的过渡区和心部在表面发生转变之前在温度400-600时即转变为索氏体和贝氏体,在过渡区和心部相变完成比容增大的基础上,表面棱角的马氏体转变体积增大,就造成零件尺寸的少量胀大和棱角翘凸.淬火加热温度愈高,胀大变形量也随之增大. 3）硝盐分级淬火时,冷却较慢,产生的热应力和热应力塑性变形都较小,故零件不易产生收缩变形. 回火时在淬火收缩变形的基础上继续收缩,回火温度愈高收缩变形量愈大. 在240-280回火时,收缩变形率一般为0.0
21、6%左右（各种钢差别不大）.5.防止变形的方法: 1）淬火前弄清材料,掌握零件特征并采取措施 2）选择好加热方式,防止加热快的部位出现热挤压塑性变形,采取预先热处理措施;掌握也预热和加热速度,选择好淬火加热温度.对T8A钢,厚度15mm者加热温度宜用770-790;截面厚度在20-30mm者用800-820;厚度在30-50mm者用820-830,均水淬.对于硝盐和碱浴淬火电厂,一般宜用810-820. 3）冷却方法:厚度小于30mm的冲孔较大的冲模尽可能采用硝盐.水淬时时间不宜过长（一般按每3-4mm冷却1秒）,水冷后可直接转入低温硝盐继续冷却对防止裂纹和减小变形十分有利. 4）回火工艺的选
22、择 5）保证一次处理合格.因每次淬火回火,特别是高温回火和正火均造成主导应力方向的收缩. 6）调整淬火前加工余量. 6.调质处理的影响: 淬火前获得较大比容相结构的调质处理,虽能减小淬火时体积变形量,但会增大T10A,T12A在主导应力方向的收缩变形量, 淬火时在主导应力方向易产生胀大变形的中碳钢或中碳合金钢,以及比容变形和组织应力塑性胀大变形为主的钢,采用粗加工后的调质工艺对防止最终淬火时的胀大变形有一定效果.四:过共析低合金工具钢: 这类钢淬火加热后奥氏体的稳定性都较碳素钢高,热处理规范的调整,能改变奥氏体的稳定性,淬火后马氏体的比容,残留奥氏体的数量和淬硬层深度,这些因素的变化直接关系到
23、零件淬火过程的应力作用状况及淬火后应力塑性变形和比容变形的大小.1.淬火加热温度的影响: 合金工具钢淬火温度升高时,出现胀大变形并逐渐增加.对9SiCr, CrWMn, CrMn三种钢的试验表明: 1）钢在冷却过程中组织应力占主导地位,只是冷却减缓后应力作用强度减弱,故在主导应力方向产生胀大变形.变形是应力变形和比容变形的总和. 2）提高淬火加热温度,主导应力方向的胀大变形增加.特别超过常用温度（三种钢分别为840;820;850）以后,胀大变形率急剧增加,由0.03-0.06%增至0.08-0.18% 3）提高淬火加热温度,使马氏体比容增大,残余奥氏体量相对增加,这两个因素中,马氏体比容的增
24、加起着主要作用.2.常用淬火冷却方法的特点: 1）油冷淬火:对能基本淬透的零件,一般表现为主导应力方向的胀大变形,其中包括相当分量的比容变形.当出现淬不硬或淬不透时,则不发生胀大变形或胀大变形量很小.将油加热到80-100可作分级淬火介质（汽缸油可用到150-200）,但局限性很小,故油冷不是理想方法. 2）硝盐转油冷却:是一种单纯地为提高淬硬能力和淬透性的冷却方式.在马氏体转变区温差大.其胀大变形率最大:9SiCr可达0.12-0.18%, CrWMn可达0.1-0.14%, CrMn可达0.08-0.18% 3）在马氏体转变点上方分级淬火:可用来处理精度要求不很严格,硬度要求较高,又易产生
25、弯曲变形的对称形状零件.但对不对称零件和精度要求很高的零件本工艺得不到理想结果. 4）在马氏体转变区内等温淬火:对精度要求较高,硬度在HRC62以上的零件和不易淬硬的低淬透性钢的大截面零件,以及为防止胀大变形而选用较低淬火温度时,采用本工艺较合适. 5）在马氏体转变点上方停留一定时间的不完全贝氏体等温淬火:用调整等温时间的方法,可控制残余奥氏体量和零件的尺寸变形.这种淬火方法适用于精度要求高,但硬度要求稍低（如HRC54-60）的零件 6）贝氏体完全等温淬火:能保证相变的等时均匀进行,减小应力,对预防不对称零件的畸形变形有明显的效果.但不适于处理硬度要求大于HRC60的零件. 7）先在冷却快的
26、低温硝盐中冷却,再转入温度较高的硝盐中进行贝氏体等温转变:先入低温硝盐时,会有少量马氏体产生,其马氏体的生成会加速以后贝氏体的转变速度和转变量. 8）贝氏体区或马氏体区等温后级慢冷却（常是和硝盐一起冷却）: 可减小等温后冷却的不均匀相变和热收缩,并使残余奥氏体量增加.适用于防止形状不对称零件的畸变和高精度零件的尺寸胀大变形. 3.贝氏体等温淬火的变形: 贝氏体区等温时间短时（CrWMn 5-15min; 9SiCr 5-10 min）,其胀大变形量比等温时间较长的或完全贝氏体等温转变的胀大变形量小.这主要是残余奥氏体量的确良多少引起的比容变形量不同的结果.同时,等温温度较高时,等温不同时间淬火
27、后的变形量差别较大,等温温度愈接近Ms点,等温时间对变形的影响的所减弱. 需注意的是:等温淬火后若不及时回火,在室温下一定时间后将会出现尺寸的继续胀大（残余奥氏体转变的结果）4.马氏体转变区等温淬火的变形: 低合金过共析钢在Ms点下方温度等温淬火,如等温时间较短,对零件的胀大变形影响较小.若将等温时间延长至45min以上,或等温后与硝盐一起缓冷,对防止胀大变形有一定效果 对硬度要求高于HRC60的高精度零件,推荐如下工艺: 1）选较低的加热温度:CrMn 830-840; CrWMn 790-810; 9SiCr 830-840; GCr15 830-850 2）淬入冷却速度快的低温硝盐中（1
28、20-140）,等温50-60分钟,空冷或随硝盐一起缓冷. 3）用不高于200的温度回火.5.回火时的变形: 回火温度不高于200时,使零件尺寸收缩,收缩率多数在0.02-0.03%范围内,淬火温度较高时收缩较大,这属于单纯的比容变形. 回火温度高于200时变形逐渐转变为胀大,温度升高至260-300,随钢号不同分别出现胀大变形的最大值:对CrMn ,GCr15 这一峰值温度是250-280; 对9SiCr 则是 280-320; 对CrWMn 则是270-290. 高于上述温度继续回火时,所有钢号的变形又转向尺寸收缩6:预防变形的工艺选择: 1）淬火温度不宜取高 2）须注意零件的胀大变形量按
29、零件的尺寸大小按比例增加 3）对低淬透性的较大截面零件,应首先设法增加淬火冷却速度,采用冷却较快的硝盐为主要手段,而将提高淬火加热温度,提高奥氏体的合金浓度和稳定性放在次要地位. 4）为防止不均匀的冷却与相变形成应力变形,同时防止淬不硬,应先在冷却较快的低温硝盐中冷却,再转和主温度较高的硝盐中冷却. 5）为防止回火时的胀大变形,对硬度要求在HRC50-60的零件,尽量利用调整等温温度和时间的方法直接获得要求硬度,而不采用240-300回火. 6）精度高的零件地贝氏体区等温时间不宜过去时长,等温后可采用缓冷.如淬火后尺寸收缩,可采用提高回火温度的方法补救 7）对硬度要求在HRC60-64的零件,为控制变形应冷入130-150的硝盐中等温,等温时间不少于40分钟,或等温后缓冷. 8）对精密量具,应在粗磨后保重做补充回火,以稳定尺寸.五:高铬合金工具钢的变形: 高铬合金工具钢退火状态下碳化物数量约占体积量的15-20%, 是碳工钢的3倍.从而可控制奥氏体的碳和合金浓度,在淬火后得到不同比容的马氏体,不同残余奥氏体量的组
