Девять факторов, влияющих на деформацию при термообработке
2025-09-07
I. Причины деформации
Основными причинами деформации стали являются либо внутренние напряжения в стали, либо внешние напряжения. Внутренние напряжения возникают в результате неравномерного распределения температуры или фазовых превращений, а также под воздействием остаточных напряжений. Деформация, вызванная внешними напряжениями, в основном обусловлена «сворачиванием» под собственным весом заготовки. В определенных обстоятельствах необходимо также учитывать вмятины, возникающие в результате ударов по нагретым заготовкам или от захватов инструментов. Деформация включает в себя как упругую, так и пластическую деформацию. Изменения размеров в основном возникают в результате микроструктурных преобразований, проявляющихся в виде расширения или сжатия. Однако дополнительная деформация возникает в заготовках с полостями или сложной геометрией. Закалка, приводящая к образованию значительного количества мартенсита, вызывает расширение, в то время как значительное количество остаточного аустенита вызывает соответствующее сжатие. Кроме того, усадка обычно происходит во время отпуска, тогда как легированные стали, демонстрирующие вторичное упрочнение, подвергаются расширению. Глубокая криогенная обработка вызывает дальнейшее расширение из-за мартенситного превращения остаточного аустенита. Удельные объемы этих микроструктур увеличиваются с ростом содержания углерода, что означает, что более высокие уровни углерода также усиливают изменения размеров.
II. Основные этапы деформации при закаливании
1. Процесс нагрева: деформация происходит по мере постепенного снятия внутренних напряжений во время нагрева.
2. Процесс выдерживания: в основном характеризуется деформацией под собственным весом, приводящей к прогибу и изгибу.
3. Процесс охлаждения: деформация возникает в результате неравномерного охлаждения и микроструктурных преобразований.
III. Нагрев и деформация
При нагреве крупных заготовок может произойти деформация из-за остаточных напряжений или неравномерного нагрева. Остаточные напряжения в основном возникают в результате обработки. При наличии таких напряжений с повышением температуры предел текучести стали постепенно снижается. Следовательно, даже при равномерном нагреве очень небольшие напряжения могут вызвать деформацию.
Как правило, остаточные напряжения выше на периферии заготовки. Когда повышение температуры начинается с внешней стороны, на краях происходит большая деформация. Деформация, вызванная остаточными напряжениями, включает в себя как упругую, так и пластическую деформацию.
Как тепловые напряжения, так и деформационные напряжения, возникающие при нагревании, способствуют деформации. Деформация увеличивается с увеличением скорости нагрева, размеров заготовки и колебаний площади поперечного сечения. Термическое напряжение зависит от степени неравномерности температуры и температурного градиента, которые вызывают изменения теплового расширения. Если термическое напряжение превышает предел текучести материала при высокой температуре, оно вызывает пластическую деформацию, проявляющуюся в виде «искажения».
Напряжение фазового перехода возникает в основном из-за асинхронных фазовых изменений, происходящих, когда часть материала претерпевает трансформацию, а другие участки остаются неизменными. Во время нагрева пластическая деформация может возникать, когда микроструктура материала превращается в аустенит, вызывая объемное сжатие. Если все части материала одновременно подвергаются одинаковому микроструктурному преобразованию, напряжение не возникает. Следовательно, медленный нагрев может соответствующим образом уменьшить деформацию при нагревании, причем наиболее предпочтительным подходом является предварительный нагрев.
Кроме того, деформация «сжатия» под собственным весом чрезвычайно часто встречается во время нагрева. Чем выше температура нагрева и чем дольше длится нагрев, тем более серьезным становится явление сжатия.
IV. Охлаждение и деформация
Неравномерное охлаждение вызывает тепловые напряжения, которые приводят к деформации. Такие напряжения неизбежны из-за разницы в скорости охлаждения между периферией и внутренней частью заготовки. Во время закалки тепловые напряжения сочетаются со структурными напряжениями, что приводит к более сложной деформации. Кроме того, неоднородность микроструктуры и обезуглероживание могут вызывать изменения точек фазового перехода, что приводит к различиям в скорости расширения во время фазовых переходов.
Таким образом, деформация возникает в результате совместного воздействия напряжений фазового перехода и термических напряжений. Однако не все напряжения рассеиваются в результате деформации; часть из них остается в виде остаточных напряжений внутри заготовки. Эти остаточные напряжения являются причиной старения деформации и старения трещин.
Деформация, вызванная охлаждением, проявляется в следующих формах:
1. На начальном этапе быстрого охлаждения быстро охлаждаемая сторона сначала прогибается, а затем выпячивается наружу. В результате быстро охлаждаемая поверхность становится выпуклой. Это явление возникает, когда деформация, вызванная термическим напряжением, превышает деформацию, вызванную фазовым превращением.
2. Деформация, вызванная термическим напряжением, имеет тенденцию придавать стали сферическую форму (см. рисунок 1), в то время как деформация, вызванная напряжением фазового перехода, имеет тенденцию придавать ей цилиндрическую форму вокруг оправки (см. рисунок 2). Поэтому деформация, вызванная охлаждением при закалке, проявляется как сочетание обоих видов (рисунок 3). В зависимости от метода закалки возникают различные деформации, как показано на рисунке 4.
3. При закаливании только внутреннего отверстия оно сжимается. При нагревании и закаливании всего кольцеобразного заготовки ее внешний диаметр неизменно увеличивается, а внутренний диаметр то расширяется, то сжимается в зависимости от его размера. Как правило, больший внутренний диаметр приводит к расширению отверстия, а меньший — к его сжатию.
V. Холодная обработка и деформация
Холодная обработка ускоряет мартенситное превращение. При более низких температурах деформация менее выражена, чем при охлаждении при закаливании, однако возникающие напряжения больше. Наложение остаточных напряжений, напряжений фазового превращения и термических напряжений может легко вызвать растрескивание.
VI. Отпуск и деформация
Во время отпуска деформация имеет тенденцию уменьшаться по мере того, как внутренние напряжения гомогенизируются, уменьшаются или даже исчезают в сочетании с изменениями микроструктуры. Однако, как только деформация происходит, ее становится чрезвычайно трудно исправить. Для решения этой проблемы обычно используются такие методы, как отпуск под давлением или дробеструйная обработка.
VII. Повторная закалка и деформация
Как правило, заготовки, подвергаемые повторной закалке без промежуточного отжига после первоначальной закалки, подвергаются увеличенной деформации. Деформация, вызванная повторной закалкой, накапливается с каждым циклом, стремясь к сферической форме. Это увеличивает вероятность растрескивания, хотя деформация становится относительно стабильной и менее подверженной дальнейшим изменениям. Поэтому перед повторной закалкой следует проводить промежуточный отжиг, а количество циклов повторной закалки следует ограничить двумя или менее (исключая первоначальную закалку).
VIII. Остаточные напряжения и деформация
Во время нагрева, при температуре около 450 °C, сталь переходит из упругого состояния в пластическое, становясь очень подверженной пластической деформации. Одновременно остаточные напряжения рассеиваются посредством рекристаллизации при температурах, немного превышающих этот порог. Следовательно, при быстром нагревании разница температур между внутренней и внешней частями заготовки приводит к тому, что внешняя область достигает 450 °C и входит в пластическую зону. Деформация происходит там, где остаточные напряжения воздействуют на более холодную внутреннюю часть. При охлаждении эта зона становится местом деформации. Поскольку в реальных условиях производства трудно добиться равномерного, постепенного нагрева, перед закалкой необходимо провести отпуск для снятия напряжений. Помимо снятия термических напряжений, для крупных деталей также эффективно снятие вибрационных напряжений.
IX. Использование высокоточного оборудования для термообработки
