淺析鋼制零件熱處理組織轉(zhuǎn)變引起的變形

張 尉 李 超 靳 冉 黃紅武

（1.陸航駐洛陽(yáng)地區(qū)軍事代表，河南 洛陽(yáng) 471009；2.中航工業(yè)鄭飛公司 工藝技術(shù)處，河南 鄭州 450000）

1 概述

金屬材料的熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)固態(tài)金屬或合金進(jìn)行加熱、保溫，然后以一定的速度冷卻到室溫[1]，有時(shí)同時(shí)借助化學(xué)作用，使金屬合金內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改善材料性能的工藝。 很多實(shí)際應(yīng)用中合理選用材料和各種成形工藝并不能滿足金屬工件所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，這時(shí)熱處理工藝成為使各種金屬材料獲得優(yōu)良性能的必不可少的重要手段。

但是熱處理工藝除了具有積極的作用之外，在處理過(guò)程中也不可避免地會(huì)導(dǎo)致或多或少的變形。 其中最易造成變形的是淬火過(guò)程中組織比體積變化大、加熱溫度高、冷卻激烈等產(chǎn)生的熱應(yīng)力、組織應(yīng)力，以及組織不均勻等，這是熱處理過(guò)程的主要缺陷之一[2]，也是后期精加工必須考慮的因素。 本文通過(guò)對(duì)金屬晶體的空間組織結(jié)構(gòu)介紹， 闡述鋼制零件熱處理過(guò)程中多晶組織轉(zhuǎn)變引起變形的一般規(guī)律。

2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

原子在三維空間有規(guī)則地周期性排列的物質(zhì)稱為晶體。 金屬中原子排序的規(guī)則性，決定了金屬一般情況下均為晶體。 在由單一金屬元素構(gòu)成的晶體中，原子排列的規(guī)律不同，其性能也不同，表現(xiàn)出各向異性。

常態(tài)下沒(méi)有缺陷的理想金屬的晶體結(jié)構(gòu)，由球狀金屬原子堆垛而成，且在各個(gè)方向的排列都是很規(guī)則的。將這些有規(guī)則地周期性重復(fù)排列所形成的三維空間陣列， 用直線連接陣列點(diǎn)處金屬原子形成了空間格子狀的晶格， 晶胞是能夠完全反映晶格最小特征的最小幾何單元（見(jiàn)圖1）。 晶胞的大小和形狀以晶胞的棱邊長(zhǎng)度a、b、c（晶格常數(shù)）及棱邊（軸間）夾角α、β、γ 表示（見(jiàn)圖2），而晶胞中原子的配位數(shù)與致密度（晶胞內(nèi)原子所占體積與晶胞體積之比）則是反映原子排列的緊密程度，同樣反映晶體結(jié)構(gòu)特征。

根據(jù)晶胞的三個(gè)晶格常數(shù)和三個(gè)軸間夾角的相互關(guān)系，以及晶胞中原子的配位數(shù)與致密度， 所有的晶體歸類為7個(gè)晶系和14 種點(diǎn)陣，其中最典型、最常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有3 種類型（見(jiàn)表1、圖3）。

表1 常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)的3 種類型

圖1 晶體中原子排列質(zhì)點(diǎn)模型示意圖

圖2 晶胞的晶格常數(shù)和軸間夾角

圖3 常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)

3 純鐵加熱時(shí)晶體組織變化

大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但也存在少數(shù)金屬具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)。 當(dāng)外部條件（如溫度和壓強(qiáng)）改變時(shí)，金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變， 稱為多晶轉(zhuǎn)變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

純鐵（Fe）即存在多晶轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，其多晶轉(zhuǎn)變的具體情況為：Fe 在912℃以下時(shí)為體心立方結(jié)構(gòu)（α-Fe），在912℃～1394℃時(shí)，具有面心立方結(jié)構(gòu)（γ-Fe），而從1394℃至熔點(diǎn)時(shí)又轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)（δ-Fe）。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的致密度，當(dāng)發(fā)生多晶轉(zhuǎn)變時(shí)，將伴有比體積或體積的突變。 圖4 為純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線。

圖4 純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線

從圖示純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線可得出：α-Fe 的致密度?。?.68%），γ-Fe 的 致 密 度 大 （0.74%），δ-Fe 的 致 密 度 又 變 小（0.68%），所以在912℃由α-Fe 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe 時(shí)晶胞內(nèi)原子排列緊密，致密度增加，體積將突然減小。 而γ-Fe 在1394℃轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe 時(shí)，則體積又突然增大，在膨脹曲線上就表現(xiàn)出了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

4 鋼制零件熱處理中的組織變形

鋼是含碳量質(zhì)量百分比介于0.015%～2.11%之間的鐵合金的統(tǒng)稱。鋼的化學(xué)成分可以有很大變化，其中只含碳元素的鋼稱為碳素鋼。 而在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼往往由于用途的不同含有不同的合金元屬，例如加入鋁、錳、鎳、釩、鈦等元素，構(gòu)成以鐵為基體組織、多元素混合的合金鋼。

以共析鋼為例介紹鋼的奧氏體形成過(guò)程，當(dāng)共析鋼的片狀珠光體加熱至A1 以上溫度時(shí)，珠光體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。 這一過(guò)程是由碳含量很高、 具有正交立方晶格的滲碳體和碳含量很低、具有體心立方晶格的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)樘己拷橛诙咧g、具有面心立方晶格的奧氏體。 該轉(zhuǎn)變可用下式表示：

體心立方晶格 正交晶格面心 立方晶格

馬氏體轉(zhuǎn)變是鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解，在較低溫度下（低于Ms 點(diǎn)）發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變。 馬氏體是體心立方，其本質(zhì)是碳在α-Fe 中過(guò)飽和的間隙固溶體。 在平衡態(tài)下，碳在α-Fe 中的溶解度在20℃時(shí)不超過(guò)Wc=0.002%。 快速冷卻條件下，由于鐵、碳原子失去擴(kuò)散能力，馬氏體中的含碳量與原奧氏體含碳量相同，最大可達(dá)到Wc=2.11%。

鋼的熱處理過(guò)程， 首先把鋼加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度 （圖5中的A1 線）以上，通過(guò)保溫使鋼的組織發(fā)生“奧氏體”化轉(zhuǎn)變，此時(shí)晶體結(jié)構(gòu)由體心立方轉(zhuǎn)化成面心立方，處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，然后再以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s，以獲得所需要的組織和性能。 一般是使鋼件發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，再以較快的冷卻速度，以較短的冷卻時(shí)間，沿圖5 中的①線快速冷卻，得到晶體結(jié)構(gòu)、組織和性能優(yōu)良、常溫狀態(tài)下穩(wěn)定的馬氏體組織。 但當(dāng)冷卻速度較慢， 如通過(guò)②線冷卻，則得到珠光體與馬氏體的混合組織；通過(guò)③線冷卻，則得到珠光體組織；通過(guò)④線等溫冷卻，則只能得到下貝氏體組織。

圖5 中對(duì)應(yīng)4 條淬火冷卻曲線所對(duì)應(yīng)的比體積變化是：①奧氏體（γ）→馬氏體（M）……膨脹（+）；②奧氏體（γ）→珠光體（M）+馬氏體（M）……膨脹（+）；③奧氏體（γ）→珠光體（M）……膨脹（+）；④奧氏體（γ）→下貝氏體（M）……膨脹（+）。

縱觀上述，即使通過(guò)②③④線速度冷卻不能得到理想的馬氏體組織，但是比體積都在增大。

圖5 鋼件奧氏體淬火冷卻曲線示意圖

在鋼的各種組織中，奧氏體為體心立方，比體積最??；馬氏體為面心立方，比體積最大，例如，碳含量為0.2%～1.44%的奧氏體比體積為0.122cm3/g， 而馬氏體的比體積為0.127～0.13cm3/g；其余組織的比體積介于奧氏體與馬氏體之間。 因此鋼件在通過(guò)奧氏體加熱后淬火形成馬氏體（或其他組織）時(shí)，存在鋼的晶體組織變化所引起的體積膨脹，必將引起工件變形[1]。

另外淬火時(shí)鋼件體積的增加，與馬氏體的含碳量有很大的關(guān)系。當(dāng)含碳量由0.4%增加至0.8%時(shí)，鋼的體積將增加1.13%～1.2%。

5 組織轉(zhuǎn)變不等時(shí)性引起的變形

5.1 零件加工應(yīng)力分布不均勻造成的熱處理變形

一般零件在熱處理前需要進(jìn)行粗加工， 以去除多余部分，由于加工方式的不同，容易造成局部應(yīng)力集中。 在熱處理加熱過(guò)程中，應(yīng)力集中處能量高，奧氏體轉(zhuǎn)變優(yōu)先（不等時(shí)）發(fā)生，且在奧氏體成核和長(zhǎng)大過(guò)程中， 該處形成的奧氏體晶粒的大小和數(shù)量與其他部位不同。 另一方面，馬氏體的形成是無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變，在后續(xù)淬火冷卻時(shí)，此處形成的馬氏體晶粒大、數(shù)量較多、體積膨脹相對(duì)大于其他部位，因此必然造成零件變形。 造成此類現(xiàn)象的常見(jiàn)原因是機(jī)械加工應(yīng)力過(guò)大，例如加工進(jìn)刀量過(guò)大，或者磨削平面類零件時(shí)，零件兩面沒(méi)有均勻去除余量，以及零件焊接后形成焊接應(yīng)力等。 為了避免該類變形， 在控制機(jī)械加工過(guò)程的同時(shí)，可于熱處理淬火前進(jìn)行相應(yīng)的高溫回火，使零件應(yīng)力集中處發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，整體應(yīng)力分布均衡，從而減小淬火加熱過(guò)程奧氏體組織轉(zhuǎn)變引起的變形。

5.2 零件厚薄不均勻造成的熱處理變形

淬火冷卻初期鋼制零件表面或截面較小部分，冷卻速度較快，優(yōu)先發(fā)生奧氏體向馬氏體的組織轉(zhuǎn)變。 由于馬氏體的比容大于奧氏體的比容，組織轉(zhuǎn)變將引起體積膨脹，但鋼件中心或較厚的部分這一轉(zhuǎn)變則略為滯后， 造成奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性。 表層和冷速較快的部分發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，引起鋼件外層和局部的體積膨脹， 而鋼件內(nèi)部和冷卻慢的部分尚處于過(guò)冷奧氏體狀態(tài)，此時(shí)會(huì)由于外層的膨脹對(duì)心部產(chǎn)生拉應(yīng)力，外層的膨脹因受內(nèi)部的限制而具有壓應(yīng)力。 進(jìn)一步冷卻時(shí)，中心部分進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，造成應(yīng)力狀態(tài)的反轉(zhuǎn)，使外表層承受拉應(yīng)力作用，心部受到壓應(yīng)力作用。 由此可見(jiàn)，在淬火冷卻過(guò)程中，零件內(nèi)外冷卻的不同時(shí)性造成零件表面的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力也在不斷變化。雖然這種應(yīng)力的變化會(huì)因零件自身尺寸一致性而不會(huì)造成太大變形，但若零件自身存在厚薄不均勻的情況，零件薄的地方優(yōu)先形成馬氏體，對(duì)其他部位先形成壓應(yīng)力，造成零件自身內(nèi)部的應(yīng)力分布不均衡，同樣會(huì)造成零件變形，嚴(yán)重的還會(huì)開裂。 針對(duì)組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性，可采用淬火冷卻前預(yù)冷的方式減小變形。

5.3 冷卻介質(zhì)的飽和蒸汽壓減小造成的熱處理變形

在真空淬火的油冷過(guò)程中，零件淬火冷卻過(guò)程主要由蒸汽膜階段、沸騰階段、對(duì)流階段三個(gè)過(guò)程構(gòu)成。 當(dāng)零件在淬火進(jìn)入冷卻介質(zhì)中時(shí)，先在工件表面形成蒸汽膜，隨后蒸汽膜破裂，工件表面開始沸騰（階段），隨后進(jìn)入對(duì)流階段。 在真空淬火中，冷室在真空狀態(tài)下，致使真空淬火油的飽和蒸汽壓降低，油膜揮發(fā)較大氣狀態(tài)下困難。 致使工件冷卻過(guò)程中，表面形成的蒸汽膜破裂時(shí)間延長(zhǎng)，蒸汽膜阻礙了零件表面與冷卻介質(zhì)的熱交換，造成零件各處蒸汽膜破裂的不同時(shí)性。致使組織轉(zhuǎn)變不等時(shí)，造成零件變形，即冷卻介質(zhì)的飽和蒸汽壓低，影響了冷卻介質(zhì)的淬火烈度，導(dǎo)致零件各處轉(zhuǎn)變不同時(shí)，產(chǎn)生變形。為了消除蒸汽壓影響，可通過(guò)對(duì)冷卻介質(zhì)加溫或向冷室充氣等手段增加冷卻介質(zhì)的飽和蒸汽壓， 以提高油膜的揮發(fā)破裂的速度， 從而縮短熱交換時(shí)間，減小零件變形。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼制零件熱處理，通常是對(duì)一般的零件進(jìn)行奧氏體的加熱轉(zhuǎn)變、保溫和快速冷卻，目的為獲得晶體結(jié)構(gòu)、組織和性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的馬氏體。 而馬氏體在鋼的各種同素異構(gòu)組織中比體積最大，因此只要是通過(guò)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的鋼制零件，其外形必定存在尺寸上的增大。 因而對(duì)精度要求高的鋼制零件，一定要考慮到熱處理變形可能給零件帶來(lái)的影響， 并在熱處理過(guò)程采取有效的預(yù)處理和淬火方法， 最大限度減少零件在熱處理中的變形。

[1]崔忠圻，等，金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]《鋼的熱處理裂紋和變形》編寫組.鋼的熱處理裂紋和變形[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1977.