(上接)金屬材料熱處理及其應(yīng)用(二)---工藝流程控制技巧

加熱缺陷及控制：
一、過(guò)熱現(xiàn)象：我們知道熱處理過(guò)程中加熱過(guò)熱最易導(dǎo)致奧氏體晶粒的粗大，使零件的機(jī)械性能下降。
⒈一般過(guò)熱：加熱溫度過(guò)高或在高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起奧氏體晶粒粗化稱為過(guò)熱。粗大的奧氏體晶粒會(huì)導(dǎo)致鋼的強(qiáng)韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，增加淬火時(shí)的變形開裂傾向。而導(dǎo)致過(guò)熱的原因是爐溫儀表失控或混料（常為不懂工藝發(fā)生的）。過(guò)熱組織可經(jīng)退火、正火或多次高溫回火后，在正常情況下重新奧氏化使晶粒細(xì)化。東莞弘超專業(yè)銷售高品質(zhì)模具鋼材，配套專業(yè)的機(jī)械加工及熱處理等服務(wù)。
⒉斷口遺傳：有過(guò)熱組織的鋼材，重新加熱淬火后，雖能使奧氏體晶粒細(xì)化，但有時(shí)仍出現(xiàn)粗大顆粒狀斷口。產(chǎn)生斷口遺傳的理論爭(zhēng)議較多，一般認(rèn)為曾因加熱溫度過(guò)高而使MnS之類的雜物溶入奧氏體并富集于晶界面，而冷卻時(shí)這些夾雜物又會(huì)沿晶界面析出，受沖擊時(shí)易沿粗大奧氏體晶界斷裂。
⒊粗大組織的遺傳：有粗大馬氏體、貝氏體、魏氏體組織的鋼件重新奧氏化時(shí)，以慢速加熱到常規(guī)的淬火溫度，甚至再低一些，其奧氏體晶粒仍然是粗大的，這種現(xiàn)象稱為組織遺傳性。要消除粗大組織的遺傳性，可采用中間退火或多次高溫回火處理。
二、過(guò)燒現(xiàn)象：加熱溫度過(guò)高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，稱為過(guò)燒。鋼過(guò)燒后性能嚴(yán)重惡化，淬火時(shí)形成龜裂。過(guò)燒組織無(wú)法恢復(fù)，只能報(bào)廢。因此在工作中要避免過(guò)燒的發(fā)生。
三、脫碳和氧化：鋼在加熱時(shí)，表層的碳與介質(zhì)（或氣氛）中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，降低了表層碳濃度稱為脫碳，脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強(qiáng)度及耐磨性降低，而且表面形成殘余拉應(yīng)力易形成表面網(wǎng)狀裂紋。
加熱時(shí)，鋼表層的鐵及合金與元素與介質(zhì)（或氣氛）中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)生成氧化物膜的現(xiàn)象稱為氧化。高溫（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化，具有氧化膜的淬透性差的鋼件易出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)。
為了防止氧化和減少脫碳的措施有：工件表面涂料，用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴爐加熱、采用保護(hù)氣氛加熱（如凈化后的惰性氣體、控制爐內(nèi)碳勢(shì)）、火焰燃燒爐（使?fàn)t氣呈還原性）。
四、氫脆現(xiàn)象：高強(qiáng)度鋼在富氫氣氛中加熱時(shí)出現(xiàn)塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為氫脆。出現(xiàn)氫脆的工件通過(guò)除氫處理（如回火、時(shí)效等）也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。當(dāng)然，實(shí)際工作中有人利用此現(xiàn)象來(lái)為人服務(wù)（如合金的粉碎處理等）。

熱處理應(yīng)力及其影響：
熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來(lái)的應(yīng)力，對(duì)工件的形狀、尺寸和性能都有極為重要的影響。當(dāng)它超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，便引起工件的變形，超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)使工件開裂，這是它有害的一面,應(yīng)當(dāng)減少和消除。但在一定條件下控制應(yīng)力使之合理分布，就可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過(guò)程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律，使之合理分布對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合理分布對(duì)零件使用壽命的影響問(wèn)題已經(jīng)引起了人們的廣泛重視。
一、鋼的熱處理應(yīng)力：工件在加熱和冷卻過(guò)程中，由于表層和心部的冷卻速度和時(shí)間的不一致，形成溫差，就會(huì)導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力,即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，由于表層開始溫度低于心部，收縮也大于心部而使心部受拉，當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受壓心部受拉。即在熱應(yīng)力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當(dāng)冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過(guò)程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應(yīng)力就愈大。另一方面鋼在熱處理過(guò)程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，因比容的增大會(huì)伴隨工件體積的膨脹，工件各部位先后相變，造成體積長(zhǎng)大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力，恰好與熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的大小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度、形狀、材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。
實(shí)踐證明，任何工件在熱處理過(guò)程中，只要有相變,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會(huì)發(fā)生。只不過(guò)熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生的，在整個(gè)冷卻過(guò)程中，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,就是工件中實(shí)際存在的應(yīng)力。這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果是十分復(fù)雜的，受著許多因素的影響，如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)只有兩種類型，即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，作用方向相反時(shí)二者抵消，作用方向相同時(shí)二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加，兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)有一個(gè)占主導(dǎo)因素，熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受拉，表面受壓。組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受壓表面受拉。
二、熱處理應(yīng)力對(duì)淬火裂紋的影響：存在于淬火件不同部位上能引起應(yīng)力集中的因素(包括冶金缺陷在內(nèi))，對(duì)淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進(jìn)作用，但只有在拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)(尤其是在最大拉應(yīng)力下)才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，若在壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)并無(wú)促裂作用。
淬火冷卻速度是一個(gè)能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素，也是一個(gè)能對(duì)淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達(dá)到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度，并使之超過(guò)鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應(yīng)力而論，這樣做由于能增加抵消組織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力值，故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達(dá)到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且，在能淬透的情況下,截面尺寸越大的工件，雖然實(shí)際冷卻速度更緩，開裂的危險(xiǎn)性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應(yīng)力隨尺寸的增大實(shí)際冷卻速度減慢,熱應(yīng)力減小，組織應(yīng)力隨尺寸的增大而增加，最后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在工件表面的作用特點(diǎn)造成的。并與冷卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀念大相徑庭。對(duì)這類鋼件而言，在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。避免淬裂的可靠原則是設(shè)法盡量減小截面內(nèi)外馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性。僅僅實(shí)行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的形成。一般情況下只能產(chǎn)生在非淬透性件中的弧裂，雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因,卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi))本身，而是淬火件局部位置(由幾何結(jié)構(gòu)決定)，在高溫臨界溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度顯著減緩，因而沒(méi)有淬硬所致。產(chǎn)生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈，是由以熱應(yīng)力為主要成份的殘余拉應(yīng)力作用在淬火件中心，而在淬火件末淬硬的截面中心處，首先形成裂紋并由內(nèi)往外擴(kuò)展而造成的。為了避免這類裂紋產(chǎn)生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實(shí)施高溫段內(nèi)的快速冷卻，目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織，而從內(nèi)應(yīng)力的角度來(lái)看，這時(shí)快冷有害無(wú)益。其次，冷卻后期緩冷的目的，主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應(yīng)力值，而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度，從而達(dá)到減小應(yīng)力值和最終抑制淬裂的目的。
三、殘余壓應(yīng)力對(duì)工件的影響：滲碳表面強(qiáng)化作為提高工件的疲勞強(qiáng)度的方法應(yīng)用得很廣泛的原因。一方面是由于它能有效的增加工件表面的強(qiáng)度和硬度，提高工件的耐磨性，另一方面是滲碳能有效的改善工件的應(yīng)力分布，在工件表面層獲得較大的殘余壓應(yīng)力，提高工件的疲勞強(qiáng)度。如果在滲碳后再進(jìn)行等溫淬火將會(huì)增加表層殘余壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提高。
等溫淬火比通常的淬火低溫回火工藝具有更高的表面殘余壓應(yīng)力。等溫淬火后即使進(jìn)行低溫回火，其表面殘余壓應(yīng)力，也比淬火后低溫回火高。因此可以得出這樣一個(gè)結(jié)論,即滲碳后等溫淬火比通常的滲碳淬火低溫回火獲得的表面殘余壓應(yīng)力更高，從表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)疲勞抗力的有利影響的觀點(diǎn)來(lái)看，滲碳等溫淬火工藝是提高滲碳件疲勞強(qiáng)度的有效方法。滲碳淬火工藝為什么能獲得表層殘余壓應(yīng)力?滲碳等溫淬火為什么能獲得更大的表層殘余壓應(yīng)力?其主要原因有兩個(gè)：一個(gè)原因是表層高碳馬氏體比容比心部低碳馬氏體的比容大，淬火后表層體積膨脹大，而心部低碳馬氏體體積膨脹小，制約了表層的自由膨脹，造成表層受壓心部受拉的應(yīng)力狀態(tài)。而另一個(gè)更重要的原因是高碳過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms），比心部含碳量低的過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度（Ms）低。這就是說(shuō)在淬火過(guò)程中往往是心部首先產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變引起心部體積膨脹，并獲得強(qiáng)化，而表面還末冷卻到其對(duì)應(yīng)的馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms），故仍處于過(guò)冷奧氏體狀態(tài),具有良好的塑性，不會(huì)對(duì)心部馬氏體轉(zhuǎn)變的體積膨脹起嚴(yán)重的壓制作用。隨著淬火冷卻溫度的不斷下降使表層溫度降到該處的（Ms）點(diǎn)以下，表層產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變,引起表層體積的膨脹。但心部此時(shí)早已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而強(qiáng)化，所以心部對(duì)表層的體積膨脹將會(huì)起很大的壓制作用，使表層獲得殘余壓應(yīng)力。而在滲碳后進(jìn)行等溫淬火時(shí)，當(dāng)?shù)葴販囟仍跐B碳層的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）以上，心部的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點(diǎn)以下的適當(dāng)溫度等溫淬火，比連續(xù)冷卻淬火更能保證這種轉(zhuǎn)變的先后順序的特點(diǎn)(即保證表層馬氏體轉(zhuǎn)變僅僅產(chǎn)生于等溫后的冷卻過(guò)程中)。當(dāng)然滲碳后等溫淬火的等溫溫度和等溫時(shí)間對(duì)表層殘余應(yīng)力的大小有很大的影響。表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲碳等溫淬火的等溫溫度是很敏感的。不僅等溫溫度對(duì)表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)有影響，而且等溫時(shí)間也有一定的影響。
從上面的討論表明,滲碳層與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的先后順序?qū)Ρ韺託堄鄳?yīng)力的大小有重要影響。滲碳后的等溫淬火對(duì)進(jìn)一步提高零件的疲勞壽命具有普遍意義。此外能降低表層馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點(diǎn)的表面化學(xué)熱處理如滲碳、氮化、氰化等都為造成表層殘余壓應(yīng)力提供了條件，如高碳鋼的氮化--淬火工藝，由于表層,氮含量的提高而降低了表層馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms），淬火后獲得了較高的表層殘余壓應(yīng)力使疲勞壽命得到提高。又如氰化工藝往往比滲碳具有更高的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，也是因氮含量的增加可獲得比滲碳更高的表面殘余壓應(yīng)力之故。此外，從獲得表層殘余壓應(yīng)力的合理分布的觀點(diǎn)來(lái)看，單一的表面強(qiáng)化工藝不容易獲得理想的表層殘余壓應(yīng)力分布，而復(fù)合的表面強(qiáng)化工藝則可以有效的改善表層殘余應(yīng)力的分布。如滲碳淬火的殘余應(yīng)力一般在表面壓應(yīng)力較低，最大壓應(yīng)力則出現(xiàn)在離表面一定深度處,而且殘余壓力層較厚。氮化后的表面殘余壓應(yīng)力很高，但殘余壓應(yīng)力層很溥,往里急劇下降。如果采用滲碳---氮化復(fù)合強(qiáng)化工藝，則可獲得更合理的應(yīng)力分布狀態(tài)。因此表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，如滲碳--氮化、滲碳---高頻淬火等，都是值得重視的方向。
根據(jù)上述討論可得出以下結(jié)論：
⒈熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力是不可避免的,而且往往是有害的。但我們可以控制熱處理工藝盡量使應(yīng)力分布合理,就可將其有害程度降低到最低限度,甚至變有害為有利。
⒉當(dāng)熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)應(yīng)力分布為心部受拉表面受壓，當(dāng)組織應(yīng)力占主導(dǎo)地時(shí)應(yīng)力分布為心部受壓表面受拉。
⒊在高淬透性鋼件中易形成縱裂，在非淬透性工件中往往形成弧裂，在大型非淬透工件中容易形成橫斷和縱劈。
⒋滲碳使表層馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點(diǎn)下降，可導(dǎo)至淬火時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變順序顛倒，心部首先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而后才波及到表面，可獲得表層殘余壓應(yīng)力而提高抗疲勞強(qiáng)度。
5、滲碳后進(jìn)行等溫淬火可保證心部馬氏體轉(zhuǎn)變充分進(jìn)行以后，表層組織轉(zhuǎn)變才進(jìn)行。使工件獲得比直接淬火更大的表層殘余壓應(yīng)力，可進(jìn)一步提高滲碳件的疲勞強(qiáng)度。
6、復(fù)合表面強(qiáng)化工藝可使表層殘余壓應(yīng)力分布更合理，可明顯提高工件的疲勞強(qiáng)度。

回火脆性：
淬火鋼回火時(shí),隨著回火溫度的升高,通常其強(qiáng)度,硬度降低，而塑性，韌性提高。但在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，鋼的沖擊韌性不僅沒(méi)有提高，反而顯著降低，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。
因此，一般不在 250~350度進(jìn)行回火，這就是因?yàn)榇慊痄撛谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)回火時(shí)要發(fā)生回火脆性。這種回火脆性稱為低溫回火脆性或第一類回火脆性。
產(chǎn)生低溫回火脆性的原因，目前還不十分清楚。一般認(rèn)為是由于碳化物以斷續(xù)的薄片狀沿馬氏體片或馬氏體條的界面析出所造成的。這種硬而脆的薄片碳化物與馬氏體間的結(jié)合較弱，降低了馬氏體晶界處的強(qiáng)度，因而使沖擊韌性反而下降。

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