淬火应力变形开裂.pptx
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1、3.4.1 淬淬火火时工件的内时工件的内应力应力工件冷却时工件冷却时,由于工件的表由于工件的表层和心部层和心部冷缩冷缩冷缩冷缩的的不同时性不同时性不同时性不同时性,造成的内应力造成的内应力。热应力的变化规律热应力的变化规律热应力的变化规律热应力的变化规律:冷却冷却前期前期前期前期,表层受拉表层受拉,心部受心部受压压;冷却冷却后期后期后期后期,表层受压表层受压,心部受拉心部受拉。1 1 热应力热应力的变化规律的变化规律热应力热应力组织应力组织应力 Ac1图3-21 工件冷却时热应力示意图瞬时瞬时应力应力残余残余应力应力 由于在低温时钢的由于在低温时钢的屈服强度屈服强度屈服强度屈服强度已较高已较高
2、,塑性塑性形变形变形变形变较为困难较为困难,故故热热热热应力状态应力状态应力状态应力状态将一直保留下来将一直保留下来,而成为而成为残余内应力残余内应力残余内应力残余内应力。径向应力径向应力:心部为拉应力心部为拉应力,表面应表面应力为零力为零,轴向应力和切向应力轴向应力和切向应力:表面均为压应力表面均为压应力,心部均为拉应力心部均为拉应力,特特别是轴向拉应力相当别是轴向拉应力相当大大.热应力分布的特征热应力分布的特征:大型轴类零件大型轴类零件(如如轧轧辊辊等等):因冷却后心部轴因冷却后心部轴向残余向残余拉应力拉应力拉应力拉应力很大很大,再加再加上心部上心部上心部上心部往往存在气孔往往存在气孔、夹
3、杂夹杂、锻造裂纹等缺陷锻造裂纹等缺陷,故容易造成故容易造成横向开裂横向开裂横向开裂横向开裂。对一般形状简单的小轴类零件对一般形状简单的小轴类零件,表面压表面压表面压表面压应力应力应力应力可提高其可提高其疲劳抗力疲劳抗力疲劳抗力疲劳抗力.热应热应力力的的影响:影响:不利影响不利影响有利影响有利影响2 2 组织应力组织应力的变化规律的变化规律淬淬火火冷冷却却时时,由由于于工工件件的的表表表表层层层层和和心心心心部部部部发发生生马马氏氏体体转转转转变变变变体体体体积积积积膨膨膨膨胀胀胀胀的的不不不不同同同同时时时时性性性性而而造造成成的的内内内内应应应应力力力力称称为为组组织织应应力力.(比比容容不
4、同)不同)组织应力的变化规律组织应力的变化规律:冷冷却却前前期期,表表层层受受压压压压,心心部部受受拉拉拉拉;冷冷却却后后后后期期期期,表表层层受受拉拉拉拉,心心部部受受压压压压。即即组组织织应应力力的的方方方方向向向向及及其其变变化化规规规规律律律律,正好正好与与与与热应力相热应力相反反反反。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组织应力组织应力分布的特征分布的特征:轴向和切向应力轴向和切向应力:表面表面表面表面为拉应力为拉应力,且切向应且切向应力力大于大于大于大于轴向应力轴向应力,心部心部为压应力为压应力
5、;径向应力径向应力:表面为零表面为零,心心部则为压应力部则为压应力。图图3-24 含含16%Ni的的Fe-Ni合金圆柱试样合金圆柱试样(直径直径50mm)自自900缓冷至缓冷至330330,急冷至室温后,急冷至室温后的残余内应力的残余内应力(组织应力组织应力)3 淬火应力及对其分布的影响因素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
6、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 3.4.2 淬淬淬淬火火火火时工件的时工件的时工件的时工件的变形变形变形变形体积变化体积变化,(工件体积工件体积按比例地按比例地胀大胀大胀大胀大或或缩小缩小缩小缩小)两种两种主要主要形式形式工件工件几何形状的变化几何形状的变化(通常称为翘曲通常称为翘曲)是组织转变时是
7、组织转变时比容比容变化变化而引起而引起的的淬淬火工件中火工件中热应力热应力热应力热应力和和组织应力组织应力组织应力组织应力引起引起引起引起把组织转变所引起的把组织转变所引起的体积变化体积变化体积变化体积变化称为体称为体积积变形变形,也叫也叫比容差效应比容差效应比容差效应比容差效应。概念概念概念概念1 引起各种变形的原因及其变化规律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淬火前后组织变化引起的体积变形 工工件件在在淬淬火火前前组组织织一一般般为为珠珠光光体体组组织织,而而淬淬火火后后为为马马氏氏体体组组织织。由由于于组组织织的的比比容容不不同同,引引起起体体积积变变化化,产
8、产生生变变形形。一一般般是是使使工工件件的的体积在各个方向上作均匀的胀大或缩小体积在各个方向上作均匀的胀大或缩小,但不改变形状。但不改变形状。next 热应力热应力引起引起的的形状形状变形变形使工件使工件沿最大尺寸沿最大尺寸沿最大尺寸沿最大尺寸方向方向收缩收缩收缩收缩,沿最小尺寸方向沿最小尺寸方向胀大胀大胀大胀大,即力图使工即力图使工件的件的棱角变圆棱角变圆棱角变圆棱角变圆,平面凸起平面凸起平面凸起平面凸起,变得趋于球状变得趋于球状,其形状正好其形状正好像一个真空中像一个真空中受内压受内压受内压受内压的容器一样的容器一样.组织应力组织应力引起引起的的形状变形形状变形(与热应力相反与热应力相反)
9、,使使工件沿工件沿最大尺寸最大尺寸最大尺寸最大尺寸方向方向伸长伸长伸长伸长,沿最小尺寸沿最小尺寸方向方向收缩收缩收缩收缩,力图使工件力图使工件棱角突出棱角突出棱角突出棱角突出,平面平面内凹内凹内凹内凹,其外形好像一个其外形好像一个承受外压承受外压承受外压承受外压的真空容器一的真空容器一样样。2.影响影响淬淬火火变变形的因素形的因素影响体积变形和形状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,纵向淬火变形具有方向性,纵向横向横向 工件截面形状不同或不对称对淬火变形的影响工
10、件截面形状不同或不对称对淬火变形的影响 一般来说一般来说,形状简单、截面对称形状简单、截面对称形状简单、截面对称形状简单、截面对称的工件的工件,淬淬火火变形变形变形变形较小较小较小较小,而形状复杂、而形状复杂、截面不对称截面不对称截面不对称截面不对称的工件的工件,淬淬火变形火变形较大较大较大较大。这是由于截面不对称时会使工件产生不均匀的冷却这是由于截面不对称时会使工件产生不均匀的冷却,从而在各个部位之从而在各个部位之间产生一定的热应力和组织应力间产生一定的热应力和组织应力。通常通常,在棱角和薄边处冷却较快在棱角和薄边处冷却较快;有凹角和窄沟槽处冷却较有凹角和窄沟槽处冷却较慢慢慢慢;外表面外表面
11、比内表面冷却快比内表面冷却快;圆凸外表面比平面冷却圆凸外表面比平面冷却快快快快。淬淬火前残余应力火前残余应力及加热冷却不均匀对变形的影响及加热冷却不均匀对变形的影响 例如机械加工、焊接、校正等均能产生残余例如机械加工、焊接、校正等均能产生残余应力应力,如果如果淬淬火火前不进行退火来消除应力前不进行退火来消除应力,淬淬火后可能增加变形火后可能增加变形。3.4.3 淬淬火火裂缝裂缝拉应力拉应力超过材料的超过材料的超过材料的超过材料的断裂强度断裂强度b b;内应力虽内应力虽不太高不太高不太高不太高(未超过材料的断裂未超过材料的断裂强度强度),),但材料存在内部缺但材料存在内部缺陷,如非金属陷,如非金
12、属夹杂物、碳化物偏析或者粗大第二相。夹杂物、碳化物偏析或者粗大第二相。产生产生淬淬火开裂火开裂的根本原因的根本原因1.纵纵向向裂裂缝缝:沿着工件轴向方向由表面裂向心部的深度较大的裂缝。2.横横向向裂裂缝缝和和弧弧形形裂裂缝缝:常发生于大型轴类零件上。3 表面裂缝表面裂缝(或称网状裂纹或称网状裂纹):这是分布在工件表面的深度较小的裂缝。3.5 3.5 确定确定淬淬火火工艺规范的原则、淬火工艺工艺规范的原则、淬火工艺方法方法及其应用及其应用 淬淬火火工工艺艺规规范范包包括括:1)淬淬火火加加热热方方式式、2)加加热热温度温度、3)保温时间保温时间、4)冷却介质及冷却方式冷却介质及冷却方式等。等。确
13、确定定工工件件淬淬火火规规范范的的依依据据是是工工件件图图纸纸及及技技术术要要求求,所所用用材材料料牌牌号号,相相变变点点及及过过冷冷奥奥氏氏体体等等温温或或连连续续冷冷却却转转变变曲曲线线,端端淬淬曲曲线线,加加工工工工艺艺路路线线及及淬淬火火前前的的原原始始组组织织等等。只只有有充充分分掌掌握握这这些些原原始始材材料,才能正确地确定淬火工艺规范。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方式及加热温度的确定原则亚共析钢为亚共析钢为A Ac3c3+30+305050共析钢和过共析钢为共析钢和过共析钢为A Ac1c1+30+305050。淬火淬火加热温
14、度加热温度:对碳钢对碳钢,根据实践经验根据实践经验淬火加热方式淬火加热方式: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,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。应根据生产批量大小,采用预热加热,或分区加热等方式。淬淬火加热温度火加热温度温温度度时间时间冷却冷却加加热热A Ac3c3+3030303050505050亚共析钢亚共析钢-淬火淬火一一般般在在A Ac3c3+3030303050505050加加热热,
15、可可得得到到均均匀匀细细小小的的奥奥氏氏体体晶晶粒粒,淬淬火火后后即即可可得得到到细细小的马氏体组织小的马氏体组织;a a 亚共析钢亚共析钢淬淬火火:但但若若加加热热温温度度低低于于A Ac3c3,组组织织中中将将会会保保留留一一部部分分铁铁素素体体,使使淬淬火火后后强强度度、硬硬度度都较低都较低;而而加加热热温温度度过过高高,又又易易引引起起奥奥氏氏体体晶晶粒粒粗粗化化,淬淬火火后后获获得得粗粗大大马马氏氏体体,钢钢的的性性能能变变坏坏,加加热热保保温温过过程程的的氧氧化化脱脱碳碳严严重重,淬淬火火后后变变形形、开开裂裂倾倾向大向大。由由于于A Ac3c3+3030303050505050这
16、这一一淬淬火火加加热热温温度度处处于于完完全全奥奥氏氏体体的的相相区区,故故又又称称作作完完全全淬淬火火。加加热热温温度度过过高高:高高于于AcAccmcm以以上上,则则会会:由由于于渗渗碳碳体体全全部部溶溶入入奥奥氏氏体体中中,使使淬淬火火后后钢钢的的耐耐磨磨性性降降低低;使使奥奥氏氏体体晶晶粒粒显显著著粗粗化化,淬淬火火后后得得到到粗粗大大马马氏氏体体,使使形形成成显显微微裂裂纹纹的的倾倾向向增增大大;由由于于奥奥氏氏体体中中碳碳含含量量显显著著增增高高,使使MsMs点点降降低低,淬淬火火后后残残余余奥奥氏氏体体量量将将大大大大增增加加,使使钢钢的的硬硬度度降降低低,使使钢钢氧氧化化、脱脱
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