“基础！热处理畸变原因分析及畸变规律”是关于材料热处理过程中畸变原因和规律的研究。畸变是指材料在热处理过程中由于温度、压力等因素引起的形状改变，影响了加工精度和性能。本文深入探讨了热处理过程中引起畸变的各种因素，如温度梯度、相变引起的内应力等，并分析了畸变的规律和特点。文章旨在帮助工程师和研究人员更好地理解材料热处理过程中的畸变问题，从而提出有效的控制和补偿方案，以确保材料最终的质量和性能。通过本文的研究，有望为提高材料热处理工艺的稳定性和可控性提供重要的理论指导。
齿轮的热处理，如整体热处理、表面热处理及化学热处理等均需要通过加热和冷却的过程。因此，不可避免地造成齿轮内部产生热应力和组织应力。但其中最容易造成畸变的是淬火过程，由于淬火过程中组织比体积变化大、加热温度高、冷却激烈等，因此导致畸变的因素较多。
工件因冷却不均匀，产生翘曲畸变，其畸变趋势取决于当时的热应力、组织应力和体积畸变量的大小。当热应力作用占主导时，工件向快冷面凸起；反之，以组织应力占主导时，使慢冷面凸起。冷却速度越快，造成冷却不均匀程度越严重，则翘曲畸变越显著。实践证明，形状不对称工件，无论什么钢种，在完全淬硬的情况下，若采用水或盐水淬火，多数是冷却快的一面凸起；如果油淬或硝盐分级淬火，则多是慢冷面凸起。显然，前者是因为水的冷却速度快，热应力显著；后者则组织应力显著，因此产生了完全相反的畸变。
为了减小工件热处理畸变，应尽量减小热处理应力。为了避免裂纹产生，应预防工件中出现较大的拉应力，即淬火过程应尽可能减少组织应力，或者增加热应力也可以达到同样的目的。
1.热应力引起的畸变及其畸变规律
热应力引起的畸变主要发生在热应力产生的初期，这时工件内部处在塑性较好的高温状态。因此，当初期的热应力（表层为拉应力、心部为压应力）超过钢在该温度下的屈服强度时即发生塑性畸变。
（1）加热时产生的热应力引起的畸变
工件入炉加热时，其表面受热而产生膨胀，加热温度越高，材料的线膨胀系数越大，则膨胀量越大。
对于热处理畸变要求较小的工件，为了减小加热时产生的热应力，工件应先经过预热再逐步加热到高温。即使对于温度低、畸变小的渗氮工艺，缓慢升温常常也是保证减小齿轮畸变的有效方法之一。
（2）冷却时产生的热应力引起的畸变
工件冷却时所产生的热应力比其加热时所产生的热应力，对热处理畸变的影响更大。特别是碳钢工件在盐水中冷却时，由于温差大，热应力往往是造成工件畸变的主要原因。
（3）热应力引起的畸变规律
加热温度越高，热应力越大，畸变越大；工件截面积越大，畸变越大；钢的导热性越差，畸变越大；冷却速度越快，畸变越大。热应力造成工件的畸变规律如下：①沿最大尺寸方向收缩，沿着最小尺寸方向伸长；②平面凸起，直角变钝角，趋于球形；③外径胀大，内径缩小。
2.组织应力引起的畸变及其畸变规律
（1）组织应力引起的畸变
组织应力引起的畸变，即影响工件体积的主要因素，其是由于相变所引起的比体积变化造成的。
由于各种组织的比体积不同，在淬火加热和冷却过程中必然发生体积的变化。这种畸变的特点是工件的各部分尺寸按比例同速率的膨胀或收缩，并不改变工件的外形。表1为碳钢淬火、回火后因组织改变而引起的体积变化。由表可以看出，淬火时原始组织为球状珠光体转变为马氏体或下贝氏体组织使体积胀大；而奥氏体使体积缩小。回火时马氏体分解，体积也缩小。钢中不同组织的线膨胀系数见表2。
表1碳钢淬火、回火后的体积变化
组织变化
体积变化（%）
球状珠光体→奥氏体
－4.64+2.21 WC
奥氏体→马氏体
+4.64－0.53 WC
球状珠光体→马氏体
+1.68 WC
奥氏体→下贝氏体
+4.64－1.43 WC
球状珠光体→下贝氏体
+0.78 WC
奥氏体→上贝氏体
+4.64－2.21 WC
球状珠光体→上贝氏体
0
马氏体→WC=0.25%马氏体+ε-碳化物
+0.22－0.88 WC
注：WC—表示溶入各组织中碳的质量分数（%）。
表2钢中不同组织的线膨胀系数
组织
奥氏体
铁素体
渗碳体
珠光体
石墨
αl
［×10-6mm/（mm·℃）］
17.0~24.0
12.0~12.5
6.0~6.5
10.0~11.0
7.5~8.0
马氏体转变时的体积变化，与淬火钢马氏体中的含碳量有关，如表3所示。通过表可以看出，钢中含碳量越高，则转变马氏体时的比体积变化越大，即膨胀量大。另外，钢中碳化物的分布也与畸变有关，即碳化物的不均匀分布往往能够增大畸变程度。
表3马氏体转变时的体积变化与含碳量的关系
WC（%）
马氏体的密度/
g·cm-3
退火态的密度/
g·cm-3
生成马氏体的
体积变化（%）
0.1
7.918
7.927
+0.113
0.3
7.889
7.921
+0.401
0.6
7.840
7.913
+0.923
0.85
7.808
7.905
+1.227
1.0
7.778
7.901
+1.557
1.3
7.706
7.892
+2.376
注：WC—淬火钢马氏体中的含碳量（质量分数，%）。
马氏体转变时的体积变化将产生不同的相变畸变量，这就可能造成畸变。这种畸变即使不在热处理完成之后就立即产生，也会在随后任何一个机加工工序中产生。
组织应力的产生是起源于工件体积的收缩和膨胀。因此，组织应力和体积膨胀是同时起作用的。
奥氏体中的含碳量越多，畸变越大；形成的马氏体量越多，畸变越大；残留奥氏体和未溶解碳化物越少，畸变越大。
（2）对组织应力的分析
工件体积的变化常常与加热和冷却密切相关，由于它和钢的膨胀系数有关。当钢的组织由铁素体转变为奥氏体时，则体积会有所收缩；当钢的组织由奥氏体转变为铁素体和马氏体时，则体积又会胀大。这是因为马氏体与铁素体和渗碳体所构成的组织相比，其比体积较大。比体积的变化导致长度的变化。而长度的变化是很容易反映出来的。即是工件尺寸与形状的变化。
热处理的不同工序、工部所引起的组织转变造成的畸变原因分析，如表4所示。
表4不同热处理工序、工部的组织转变造成的畸变原因分析
工序
工部
体积畸变
形状畸变
硬化
加热并在奥氏体状态下保温
奥氏体形成，碳化物溶解
热应力的产生，热应力的松弛
淬火
马氏体形成，非马氏体的产生
热应力、组织应力、残留应力的诱导
冷处理
在0℃下冷处理，并保持一定的时间，再恢复到室温
马氏体的转变
热应力、组织应力、残留应力的影响
回火
加热到回火温度，并保持一定时间，再冷却到室温
马氏体的分解，残留奥氏体的转变
应力的消除，热应力、残留应力的影响
（3）组织应力引起的畸变规律
组织应力引起的畸变方向与热应力相反，其畸变规律如下：①沿最大尺寸方向伸长，沿着最小尺寸方向缩小；②平面凹下，直角变尖角；③外径缩小，内径胀大。
应当指出，在具体到一定形状和尺寸的工件，热应力和组织应力共同作用下造成的畸变是非常复杂的，因此应具体情况具体分析。碳素钢液态介质淬火冷却时，热应力的作用突出。合金钢油冷淬火时，组织应力作用突出。分级淬火或等温淬火时，热应力起主导作用，组织应力则较小。
在热应力与组织应力作用下的几种典型工件的外形和尺寸变化见表5。表中列出的一些简单形状工件在均匀冷却情况下，因单一因素发生畸变的一般规律。事实上工件淬火时因热应力引起的形状畸变和组织转变引起的体积畸变交织在一起，并因钢材、工件形状尺寸及工艺操作等不同，表现有不同的畸变倾向。
3.热应力与组织应力共同作用引起的畸变
以上所说的是单纯由热应力或组织应力所引起的畸变，这在正常生产中是不多见的。实际上，工件在淬火时，既有热应力的影响，又有组织应力的影响。其畸变也是热应力与组织应力共同作用的结果。不过有时是以热应力为主，有时则是以组织应力为主。同时，还将受到其他因素的影响。然而，究竟产生趋向于何种形式的畸变，其材料的淬透性和钢材Ms点的位置具有重要影响。而二者又取决于钢的成分等。
对于屈服强度较高的工件，淬火未淬透时，冷却初期，表层冷速较快而发生较大的收缩，却因心部较慢收缩而受到阻碍，从而使表层具有拉应力，心部承受压应力作用。将引起表层的塑性拉伸畸变。在随后的冷却过程心部温度也下降较快造成应力反向，心部发生了奥氏体→珠光体转变，又进一步增大了表层的塑性畸变。当表层温度降至Ms点以下时，即发生马氏体转变而加速了应力反向，表层的膨胀使心部显现拉应力状态，如超过其屈服强度时，就产生伸长（胀大）的畸变，即倾向于组织应力型的畸变。对于高碳钢来说，因Ms点较低，屈服强度高，一般只发生冷却初期的热应力型的畸变，即趋于球形化。
对于一般结构钢来说，Ms点较高，屈服强度较低。因而淬透性越好的钢，其表层的相转变引起心部塑性拉伸畸变就越显著。即承受热应力与组织应力的综合作用，产生以组织应力为主的相变畸变。
对于淬透性良好的钢材，进行淬透淬火时，冷却的初期，即表层和心部都在Ms点以上时，表层急冷收缩受内部的阻碍而产生拉应力，心部受压应力作用。当表层冷至Ms点以下，发生马氏体转变而进行膨胀，却受到心部的限制，因而加速了应力反向，使心部受拉应力作用，并导致组织应力型的相变畸变。当心部也冷至Ms点以下时，心部发生马氏体转变时便发生再度的应力反向，使表层具有拉应力，心部受压应力作用。
了解更多热处理技术
可以来参加这个月我们在无锡举办的先进节能热处理技术与装备研讨会，今年是第八届，技术交流效果很好。可以带着你们厂的热处理难题过来，我们有专家帮助出主意和解答。
