金属材料热处理变形及控制浅析
曹汉卿1 文靖2
1.海军驻贵阳地区某航空军事代表室 贵州 贵阳 550009；2.中国航空工业标准件制造有限责任公司 贵州 贵阳 550014
金属材料的热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，有时并兼之以化学作用和机械作用，使金属合金内部的组织和结构发生改变，从而获得改善材料性能的工艺。金属材料在处理过程中不可避免地会产生或多或少的变形，而这又是机械加工中必须避免的，两者之间是共存而又需要避免的关系，只能采用相应的方法尽量把变形量控制在尽量小的范围内。而要减小热处理的变形，我们就需要了解影响热处理变形的因素。正确制定热处理工艺可以改变某些金属材料的机械性能。而不合理的热处理条件，不仅不会提高材料的机械性能，反而会破坏材料原有的性能。因此，设计人员在根据金属材料成分及组织确定热处理的工艺要求时，应准确分析金属材料与热处理工艺的关系，合理安排工艺流程，才能得到理想的效果。
1金属材料与热处理工艺的关系
1.1金属材料的切削性能与热处理预热的关系
金属材料加工的整个工艺流程中，如果切削加工工艺与热处理工艺之间能相互沟通，密切配合，对提高产品质量将有很大好处。在金属切削过程中，由于被加工材料、切削刀具和切削条件的不同，金属的变形程度也不同，从而产生不同程度的光洁度。预先热处理主要是应用于各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品消除冶金及热加工过程产生的缺陷，并为以后切削加工及热处理准备良好的组织状态。从而保证材料的切削性能、加工精度和减少变形。提高零件的切削性能。各种材料的最佳切削性能都对应有一定的硬度范围和金相组织。齿坯材料在切削加工中，当齿柸硬度偏低时会产生粘刀现象，在前倾面上形成积屑瘤，使被加工零件的表面光洁度降低。而对齿坯材料进行正火，不完全淬火处理，切屑容易碎裂，形成粘刀的倾向性减少。并随着齿坯硬度的提高，切屑从带状向挤裂多渡，减少了粘刀现象，提高了切削性能。经固溶处理和时效强化后的铝合金，比铸态或压力加工状态的切削性能好。所以铝合金通常都是先经强化处理(固溶处理，时效，时效)，再切削加工。晶粒细小、均匀的组织，不仅改善了切削性能，提高了机械加工精度，而且为最终热处理(淬火十回火)，保证获得良好的组织和陛能做好准备。
1.2金属材料的断裂韧性与热处理温度的关系断裂力学的出发点是：任何材料实际都含有不同数量、不同尺寸的裂纹。断裂韧性实际可以理解为含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错，使金属材料中的位错密度下降，从而提高金属强度。细晶强化是减少金属晶体中位错的一种重要方法，其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。而金属组织的细化则主要通过热处理后再结晶获得。当冷变形金属加热到足够高的温度以后，会在变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的变形晶粒，这个过程称为再结晶。只有在一定的应力和变形温度的条件下，材料在变形过程中才会积累到足够高的局部位错密度级别，导致发生动态再结晶。因此，不同温度对金属的再结晶效果好坏有明显的关系。可以通过以下实验证明，在SY钢坯料上线切割适当的小圆柱，机加工后，选择在700℃、800℃、900℃、1000℃和1100℃在Cleeble-1500型热模拟试验机上以5×10-1的变形速率保温30s压缩变形50%然后在空气中冷至室温，再进行680℃×6hAC(空冷)的退火处理，再将压缩后的试样沿轴向线切割剖开，研磨抛光后用化学物质显示晶粒形貌。实验现象为，在700℃时，扁平的晶粒开始逐渐向等轴晶粒的形状变化。800℃变形的晶粒中等轴晶粒已经有少量出现，但仍然以变形拉长的晶粒为主。在900℃变形开始，晶粒突然变得细小，几乎全部为等轴晶粒，晶粒度达到YBl2级。在900℃以上，晶粒开始长大。因此，900℃左右温度，是钢的宏观性能变化最为剧烈的阶段。再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。那么，我们就可以得出控制热处理的温度，可以提高金属材料的断裂韧性。
1.3金属材料抗应力腐蚀开裂与热处理应力的关系
金属材料在拉伸应力和特定腐蚀环境共同作用下发生的脆性断
裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时，以及加热后冷却处理时，改变了材料内部的组织和性能，同时伴随产生了金属热应力和相变应力。这种应力对材料的影响有利也有弊，下面主要对金属热处理中的残余应力与形成裂纹间的关系进行分析。金属材料在加热和冷却过程中，表层和心部的加热及冷却速度(或时间)不一致，由于温导致材料体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于冷却时金属表层温度低于心部，收缩表面大于心部而使心部受拉应力，另一方面材料在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随材料体积的膨胀，材料各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与拉应力相反。金属热处理的热应力和相变应力叠加的结果就是材料中的残余应力。金属热处理中淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素，也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。通过相关实验，我们可以得出：1)淬火冷却速度加快，抑制纵裂效果增大。为了达到淬火的目的，通常必须加速材料在高温段内的冷却速度，并使之超过材料的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。2)冷却后期缓冷的。主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值，而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度，从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。
1.4金属材料的切边横量与热处理温度的关系
切变模量是材料的力学性能指标之一，是材料在剪切应力作用下，在弹性变形比例极限范围内，切应力与切应变的比值。它表征材料抵抗切应变的能力，模量大，则表示材料的刚性强。通过热处理，可以改变材料的性能。同时，材料本身的物理性质也发生改变，切边模量应该也随之变化。从而导致了弹簧的实际伸长量与设计计算的伸长量存在着一定的误差。笔者结合相关实验，分析了热处理与金属材料切边模量变化的关系。工业生产中在选用弹簧钢进行弹簧设计计算时，要用到材料的切边模量和弹簧模量。如果按传统设计资料中给出的切边模量取值。那么，通常计算的弹簧变形量和实际测得的弹簧变形量有较大的误差。这是因为加工后的成品弹簧，特别是热绕成形的弹簧都需经过热处理。
2变形原因
零件的变形包括尺寸变形和几何形状的变形，而热处理时这两种变形同时存在，在于热处理时工件内部的热应力和组织应力综合作用的结果。当应力大于材料屈服强度时变形就会产生，淬火变形还与钢的屈服强度有关，材料塑性变形抗力越大，其变形程度越小。就产生的根源来说，可分为内应力造成的应力塑性变形和比容变化引起的体积变形。
2.1内应力塑性变形
热处理过程中加热冷却的不均匀和相变的不等时性,都会产生内应力,在一定塑性条件的配合下,就会产生内应力塑性变形。在加热和冷却过程中,零件的内外层加热和冷却速度不同造成各处温度不一致,致使热胀冷缩的程度不同,这样产生的应力变形叫热应力塑性变形。
2.2比容变化引起的体积变形
比容变形在热处理过程中,各种相结构的组织比容不同,在相变时发生的体积和尺寸变化为比容变形。比容变形一般只与奥氏体中碳和金元素的含量、游离相碳化物、铁素体的多少、淬火前后组织比容变化差和残余奥氏体的多少和钢的淬透性等因素有关。
3金属材料变形控制
通过以上分析确定了金属材料在热处理过程中变形的原因，减小热处理变形需要合理的热处理工艺。各种热处理方式相结合，搭配，尽量既满足性能需要同时又减少变形等缺陷。通过以下的方法可以尽量降低热处理后的变形。
3.1合理的加热次序和冷却次序
根据不同零件的结构特点，制定适合该零件的热处理顺序，可相应的减小热处理带来的变形，尽量使各部分热处理产生的变形可以相互抵消。最终达到变形最小的目的。不过，此方法成本较高，较复杂，浪费时间。一般情况下，除非非常精密的零件，才会采用此种方式。
3.2预备热处理
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。金属的正火、退火以及在进行淬火之前的调质，都会对金属最终的变形量产生一定的影响，直接影响到的是金属组织结构上的变化。实践证明，在正火时采用等温淬火可有效地使金属组织结构趋于均匀，从而使其变形量减小。
3.3运用合理的冷却方法
金属淬火后冷却过程对变形的影响也是很重要的一个变形原因。热油淬火比冷油淬火变形小，一般控制在100±20℃。油的冷却能力对变形也是至关重要的。淬火的搅拌方式和速度均影响变形。金属热处理冷却速度越快，冷却越不均匀，产生的应力越大，模具的变形也越大。可以在保证模具硬度要求的前提下，尽量采用预冷；采用分级冷却淬火能显著减少金属淬火时产生的热应力和组织应力，是减少一些形状较复杂工件变形的有效方法；对一些特别复杂或精度要求较高的工件，利用等温淬火能显著减少变形。
3.4零件结构要合理
金属热处理后在冷却过程中，总是薄的部分冷得快，厚的部分冷得慢。在满足实际生产需要的情况下，应尽量减少工件厚薄悬殊，零件截面力求均匀，以减少过渡区因应力集中产生畸变和开裂倾向；工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变；工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，在工件的厚薄交界处、台阶处要有圆角过渡；尽量减少工件上的孔、槽筋结构不对称；厚度不均匀零件采用预留加工量的方法。
3.5采用合理的装夹方式及夹具
此方法的目的是使工件加热冷却均匀，以减少热应力不均，组织应力不均，来减小变形，可改变装夹方式，盘类零件与油面垂直，轴类零件立装，使用补偿垫圈，支承垫圈，叠加垫圈等，花键孔零件可用渗碳心轴等。
3.6机械加工
当热处理是工件加工过程的最后工序时，热处理畸变的允许值应满足图样上规定的工件尺寸，而畸变量要根据上道工序加工尺寸确定。为此，应按照工件的畸变规律，热处理前进行尺寸的预修正，使热处理畸变正好处于合格范围内。当热处理是中间工序时，热处理前的加工余量应视为机加工余量和热处理畸变量之和。通常机械加工余量易于确定，而热处理由于影响因素多比较复杂，因此为机械加工留出足够的加工余量，其余均可作为热处理允许畸变量。热处理后再加工，根据工件的变形规律，施用反变形、收缩端预胀孔，提高淬火后变形合格率。
3.7采用合适的介质
在保证同样硬度要求的前提下，尽量采用油性介质，实验和实践证明，再其他条件无差异的前提下，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。而且，和油性介质相比，水温变化对水性介质冷却特性的影响较大，在同样的热处理条件下，油性介质相对水性介质淬火后的变形量要相对小。
4结语
任何因素的变化都或多或少的影响其变形度，只有在某一特定的条件下，才表现出影响变形的主要因素和次要因素，在选择预防热处理变形的具体措施时，应根据具体情况制定具体的方法，许多减小和控制热处理变形的有效措施均来源于实践，要反复几次后才能探索出一些规律，还要配合从理论上对变形基本规律的分析研究才能正确的制定出来。随着技术的不断进步，金属材料热处理工艺和技术也在日益完善，在注重技术进步，提高产品质量的同时，还要保护好环境，节能降耗，实现企业的可持续发展，金属材料热处理工艺和技术一方面要更加高效、精准，另一方面要节约成本，减少废气和废渣的排放。
参考文献
[1]魏强、刘晓清，热处理淬火变形的控制.汽车工艺与材料.2008年7期.
[2]雷声，齿轮热处理变形的控制.机械工程师.2008年5期.
[3]刘晔东，热处理变形浅析.机械工人：热加工.2007年10期.