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1、,3.4 淬火应力、变形及开裂,3.4.1 淬火时工件的内应力,工件冷却时,由于工件的表层和心部冷缩的不同时性,造成的内应力。,热应力的变化规律： 冷却前期,表层受拉,心部受压；冷却后期, 表层受压,心部受拉。,1 热应力的变化规律,Ac1,图3-21 工件冷却时热应力示意图,由于在低温时钢的屈服强度已较高，塑性形变较为困难,故热应力状态将一直保留下来,而成为残余内应力。,径向应力： 心部为拉应力,表面应力为零， 轴向应力和切向应力： 表面均为压应力， 心部均为拉应力，特别是轴向拉应力相当大.,热应力分布的特征：,大型轴类零件(如轧辊等)：因冷却后心部轴向残余拉应力很大,再加上心部往往存在气孔
2、、夹杂、锻造裂纹等缺陷,故容易造成横向开裂。,对一般形状简单的小轴类零件, 表面压应力可提高其疲劳抗力.,2 组织应力的变化规律,淬火冷却时，由于工件的表层和心部发生马氏体转变体积膨胀的不同时性而造成的内应力称为组织应力.（比容不同）,组织应力的变化规律： 冷却前期,表层受压,心部受拉；冷却后期,表层受拉,心部受压。即组织应力的方向及其变化规律,正好与热应力相反。,0.2-0.4wt%的A的比容0.12227-0.12528 cm3/g, M的比容0.12708-0.13061 cm3/g,组织应力分布的特征：,轴向和切向应力:表面为拉应力, 且切向应力大于轴向应力,心部为压应力； 径向应力:
3、 表面为零,心部则为压应力。,图3-24 含16%Ni的Fe-Ni合金圆柱试样(直径50mm)自900缓冷至330，急冷至室温后的残余内应力(组织应力),3 淬火应力及对其分布的影响因素,含碳量的影响：随含碳量增加，热应力作用逐渐减弱，组织应力逐渐增强。 合金元素的影响：钢中加入合金元素，其热传导系数下降，导致热应力和组织应力增加;多数合金元素使Ms点下降热应力作用增强；凡增加钢淬透性的合金元素，在工件没有完全淬透的情况下，有增加组织应力的作用。 工件尺寸的影响： 在完全淬透的情况下，随着工件直径的增加，淬火的残余应力将由组织应力型转化为热应力型。 在不完全淬透的情况下，所产生的应力特性与热应
4、力相类似的，表层受压,心部受拉。 淬火介质和冷却方法的影响：淬火介质在不同工件冷却温度区间是不相同的，因此也影响淬火内应力分布，在Ms点以上冷却时快，Ms点以下冷却慢，为热应力型，反之为组织应力型。,3.4.2 淬火时工件的变形,体积变化, （工件体积按比例地胀大或缩小）,1 引起各种变形的原因及其变化规律, 淬火前后组织变化引起的体积变形 工件在淬火前组织一般为珠光体组织，而淬火后为马氏体组织。由于组织的比容不同，引起体积变化，产生变形。一般是使工件的体积在各个方向上作均匀的胀大或缩小,但不改变形状。,next, 热应力引起的形状变形,使工件沿最大尺寸方向收缩,沿最小尺寸方向胀大, 即力图使
5、工件的棱角变圆,平面凸起,变得趋于球状,其形状正好像一个真空中受内压的容器一样., 组织应力引起的形状变形,(与热应力相反),使工件沿最大尺寸方向伸长,沿最小尺寸方向收缩,力图使工件棱角突出,平面内凹,其外形好像一个承受外压的真空容器一样。,2.影响淬火变形的因素,影响体积变形和形状变形的因素 其他影响淬火变形的因素 夹杂物和带状组织对淬火变形的影响 淬火变形具有方向性，纵向横向 工件截面形状不同或不对称对淬火变形的影响,一般来说,形状简单、截面对称的工件,淬火变形较小，而形状复杂、截面不对称的工件,淬火变形较大。 这是由于截面不对称时会使工件产生不均匀的冷却,从而在各个部位之间产生一定的热应
6、力和组织应力。 通常,在棱角和薄边处冷却较快;有凹角和窄沟槽处冷却较慢;外表面比内表面冷却快;圆凸外表面比平面冷却快。,3.4.3 淬火裂缝,1.纵向裂缝：沿着工件轴向方向由表面裂向心部的深度较大的裂缝。,2.横向裂缝和弧形裂缝 ：常发生于大型轴类零件上。,3 表面裂缝(或称网状裂纹)： 这是分布在工件表面的深度较小的裂缝。,3.5 确定淬火工艺规范的原则、淬火工艺方法及其应用,淬火工艺规范包括：1)淬火加热方式、2)加热温度、3)保温时间、4)冷却介质及冷却方式等。 确定工件淬火规范的依据是工件图纸及技术要求，所用材料牌号，相变点及过冷奥氏体等温或连续冷却转变曲线，端淬曲线，加工工艺路线及淬
7、火前的原始组织等。只有充分掌握这些原始材料，才能正确地确定淬火工艺规范。,3.5.1 淬火加热方式及加热温度的确定原则,淬火加热温度:,对碳钢,根据实践经验,淬火加热方式：,加热介质应采用保护气氛加热或真空加热，避免氧化脱碳。 加热方式一般为热装炉，对工件尺寸较大、形状复杂的高合金钢， 应根据生产批量大小，采用预热加热，或分区加热等方式。,淬火加热温度,一般在Ac3+3050加热,可得到均匀细小的奥氏体晶粒,淬火后即可得到细小的马氏体组织；,a 亚共析钢淬火：,但若加热温度低于Ac3,组织中将会保留一部分铁素体,使淬火后强度、硬度都较低；,而加热温度过高, 又易引起奥氏体晶粒粗化, 淬火后获得
8、粗大马氏体，钢的性能变坏，加热保温过程的氧化脱碳严重，淬火后变形、开裂倾向大。,由于Ac3+3050这一淬火加热温度处于完全奥氏体的相区,故又称作完全淬火。,加热温度过高：高于Accm以上,则会：由于渗碳体全部溶入奥氏体中,使淬火后钢的耐磨性降低;使奥氏体晶粒显著粗化,淬火后得到粗大马氏体, 使形成显微裂纹的倾向增大；由于奥氏体中碳含量显著增高，使Ms点降低,淬火后残余奥氏体量将大大增加, 使钢的硬度降低，使钢氧化、脱碳加剧,也使淬火变形和开裂倾向增大,同时还缩短炉子的使用寿命，等。,b 共、过析钢淬火： Ac1+3050,C 低合金钢淬火：,淬火加热温度也应根据其临界点(Ac3或Ac1)来选
9、定，但考虑到合金元素的影响, 为了加速奥氏体化而又不引起奥氏体晶粒粗化,一般应选定为Ac3(或Ac1 +50lOO)。,d 确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素,影响淬火加热时间的因素, 钢的成分,钢中碳及合金元素含量增多,将使钢的导热性下降,故保温时间应增加;,高碳钢低碳钢, 合金钢碳素钢 , 高合金钢低合金钢,合金元素比碳扩散慢得多,显著延缓钢中的组织转变,保温时间,3.5.2 淬火加热时间的确定原则,工件的形状与尺寸,对于相同材料与形状的工件,当加热条件相同时,保温时间将随其有效厚度 的增大而延长。,有效厚度：工件在受热条件下在最快传
10、热方向上的截面厚度。,预热的作用在于消除淬火加热前存在于工件中的残余内应力,减小高温加热时工件表里 (或厚薄部分)的温差,以及由此而产生的内应力, 并能缩短工件在高温透热或保温时间。 在高温下保温时间缩短，可以减轻工件的氧化、脱碳以及过热倾向。 对碳钢及一般合金钢，往往采取一次预热，其预热温度为550650；对高合金钢(如高速钢)，往往采取两次预热，第一次为600650，第二次为800850.,对于形状复杂或尺寸较大的碳素工具钢及合金工具钢工件,常在淬火加热前采取预热。,加热介质,加热介质不同, 则加热速度不同, 因而保温时间也随之不同。 在一般生产中,以铅浴炉加热速度为最快,盐浴炉次之,空气
11、电阻炉为最慢.,表 保温时间的经验公式,装炉情况,装炉量大时，保温时间应延长。 工件在炉中的放置及排列情况对其受热条件有明显影响 , 故装炉情况不同, 其保温时间也不同。, 炉温,提高炉温,可缩短加热保温时间。,快速加热已在生产上得到应用, 是将工件放入比正常加热温度高出约100200左右的炉中进行加热；为防止过热,须严格控制加热保温时间。,3.5.3 淬火介质及冷却方式的选择与确定,淬火介质的选择：,首先，应在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。,其次，还应考虑其冷却特性，在钢的过冷奥氏体最不 稳定区有足够的冷却能力，而在马氏体转变区冷却缓慢。,实践中，往往把淬火介质
12、的选择和冷却方式相结合。,(1)单液淬火法,在整个冷却过程中,工件表面与中心的温差较大,这会造成较大的热应力和组织应力,从而易引起变形和开裂。,淬火介质：一种(如水、油或其他等)。,工艺：工件经加热后, 直接淬火。,淬火方法简便、经济、易于掌握,故广泛用于形状简单的工件淬火。,优点：,缺点：,3.5.4 淬火方法及其应用,(2)双液淬火法(双淬火介质淬火法、中断淬火法),优点：先快冷可避免过冷奥氏体的分解,后慢冷可有效地降低变形和开裂倾向。,工艺:把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点，然后转入慢冷的淬火介质中冷却至室温，以达到不同淬火冷却温度区间，有比较理想的淬火
13、冷却速度这样既保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度又可减少内应力及防止发生淬火开裂一般用水作快冷淬火介质，用油或空气作慢冷淬火介质。,(2)双液淬火法,缺点：需要操作者具有较熟练的操作技术,否则难于掌握好。,关键：是控制工件的水冷时间,据经验总结,碳钢工件厚度在530mm时,其水冷时间可按每34mm厚度冷却1s来估算,对于形状复杂的或合金钢工件,水冷时间应减少到每45mm厚度冷却1s。,优点:,(3)分级淬火法,工艺：,将加热好的工件置于温度稍高于Ms点的热态淬火介质中(如融熔硝盐、熔碱或热油),保温一定时间,待工件各部分的温度基本一致时,取出空冷(或油冷)，发生马氏体转变.,缩小了工件与冷却介
14、质之间的温差,因而明显减小了工件冷却过程中的热应力；,通过分级保温,使整个工件温度趋于均匀,在随后冷却过程中工件表面与心部马氏体转变的不同时性明显减小；,分级后处于奥氏体状态的工件，具有较大的塑性(相变超塑性)，因而创造了进行工件的矫直和矫正的条件因而高于Ms点分级温度的分级淬火，广泛地应用于工具制造业对碳钢来说，这种分级淬火适用于直径8一lOmm工具.,工件淬火时的变形和开裂倾向可显著减少。,缺点:,(3)分级淬火法,分级淬火只适用于尺寸较小的工件对于较大的工件，由于冷却介质的温度较高，工件冷却较缓慢，因而很难达到其临界淬火速度。 某些临界淬火速度较小的合金钢没有必要采用此法，因为在油中淬火
15、也不致于造成很大内应力反之，若采用分级淬火来代替油淬，其生产效率并不能显著提高,(4) 等温淬火法,特点：在保证有较高强度的同时,还保持有较高的韧性,同时淬火变形也较小。 原因：等温停留可显著减少热应力和组织应力,且贝氏体的比容较小,形状变形和体积变形也较小。,工件淬火加热后,在下贝氏体区长期保温， 获得下贝氏体组织的工艺。,(5) 预冷淬火法,工件加热出炉空气中预冷淬火介质中冷却(淬火),工艺：,预冷可减小工件在随后快冷时各处(薄处与厚处,或表面与心部)之间的温度差, 从而降低淬火变形和开裂的倾向。,优点：,(6)喷射淬火法,这种方法就是向工件喷射水流的淬火方法 ，水流可大可小，视所要求的淬火深度而定。,工艺：,用这种方法淬火，不会在工件表面形成蒸汽膜，这样就能够保证得到比昔通水中淬火更深的淬硬层。为了消除因水流之间冷却能力不同所造成的冷却不均匀现象，水流应细密，最好同时工件上下运动或旋转 这种方法主要用于局部淬火。用于局部淬火时，因未经水冷的部分冷却较慢，为了避免已淬火部分受未淬火部分残留热量的影响，工件一旦全黑，立即将整个工件淬入水中或油中,优点：,