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鋼件淬火中熱應(yīng)力引起的淬火變形

2017年03月14日11:21 青島豐東熱處理

鋼件淬火過程中,由于鋼件截面各部分冷卻速度不同,而造成溫度的差異,引起鋼件的體積收縮的不均勻,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的形成。如果熱應(yīng)力超過鋼件的屈服極限時(shí),就會造成鋼件的塑性變形。

熱應(yīng)力所引起的變形,往往使鋼件趨向“腰鼓”形狀,即直徑脹大而長度縮小。鋼件淬火時(shí),鋼從高溫進(jìn)行急劇冷卻,鋼的表層要比其內(nèi)部的冷卻速度快而發(fā)生較激烈的收縮。鋼件內(nèi)部由于冷卻較慢,其收縮則較小,從而內(nèi)部的阻礙則承受拉應(yīng)力作用。此時(shí),當(dāng)拉應(yīng)力超過其高溫屈服強(qiáng)度時(shí),表層即可發(fā)生塑性滑移變形。

假定外層溫度比心部低△T,鋼件直徑為D,變形量為△D,熱膨脹系數(shù)λ,則其相對變形量是:

△D/D=λ△T

若在此溫度下的彈性系數(shù)為E,則熱應(yīng)力

σH=Eλ△T

λ隨溫度的升高而增大,E值則降低。如表層和心部的溫差△T=500℃,E=150000MPa,λ=0.000019/℃,則按上式即可得出表層因急冷收縮受心部限制而產(chǎn)生的拉應(yīng)力,σH=850MPa超過了鋼件表層在該溫度下的屈服極限(一般鋼的高溫屈服極限都低于此值),從而屈服發(fā)生了漲大的拉伸塑性變形,結(jié)果引起表面凸起。在隨后的冷卻過程中,內(nèi)部還要發(fā)生收縮,但卻受到已冷的外層的限制,所以內(nèi)部呈現(xiàn)拉應(yīng)力,表面受到壓應(yīng)力的作用,發(fā)生應(yīng)力反轉(zhuǎn)(但也不能使其變形完全恢復(fù))。最終所發(fā)生的變形趨向于表面積縮小,即趨向于形成球形。直徑大于厚度的圓盤件,則厚度增大,直徑縮小,長度大于直徑的圓柱件,則長度縮小,直徑增大。如果將鋼件加熱到A1點(diǎn)以下的溫度冷卻時(shí),由于不發(fā)生組織上的轉(zhuǎn)變,則會因急冷而產(chǎn)生熱應(yīng)力。在反復(fù)加熱和冷卻條件下,就能由于熱應(yīng)力的作用使圓柱形鋼件變成腰鼓狀;立方體形的鋼件趨向球狀。

因此,熱應(yīng)力引起的變形是受到冷卻初期表層部分的塑性拉伸變形所支配,變形傾向——趨于球形化。

變形的大小,取決于內(nèi)部應(yīng)力和屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系,高溫強(qiáng)度較高的鋼,其變形較小。對于這種變形來說,溫度分布不均勻是其主要原因。所以

(1)冷卻速度越快,變形越大;

(2)淬火加熱溫度越高,變形越大;

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