【译文】加热时的变形
在机械制造中，由于变形对合金的选择，材料来源，工艺设计和工艺流程的潜在影响，因此了解变形机制至关重要。围绕变形的讨论通常都集中在控制零件的冷却以及所产生的应力上，这可以理解的，因为通常将其视为大多数热处理工艺和材料变形的主要原因。但是，许多情况下加热也可能会导致变形。区分加热变形和冷却变形通常非常困难，但对于优化整个热处理工艺和最小化下游成本至关重要。
控制变形的重要性
变形是机械制造中的重要课题，因为它直接与成本相关。控制变形的大小以及零件间的变化，可以使近净形零件进入优化的热处理工艺，从而使精加工余量最小化。最终，将精加工操作的循环时间减至最少，而又不会显著影响热处理的周期时间。当然，这种节省成本的假设是工艺和零件的函数，需要针对每种情况进行评估。
了解变形
零件变形的特征可能是由于均匀的显微组织改变（例如相变）引起的尺寸变化，或是由于热梯度或重力产生的应力而引起的形状变化[1]。对零件大小和形状变化的量化往往是了解其变形的第一步。通常，这是通过以适当的精度水平从统计角度测量可观数量的零件，处理每个零件，并准确地测量每个零件的后处理并最终比较预处理和后处理的测量值来完成。尽管此方法产生了大量信息，可以转换为工艺改进策略，但它是迭代的，因此成本很高。使用来自受控实验室实验的准确材料行为数据的计算机建模软件可以显著减少此迭代过程，从而使初始零件的几何形状从一开始就接近最佳。膨胀法是一种实验方法，用于通过精确测量尺寸随时间和温度的变化来量化热处理过程中几乎所有区域的材料变化。尺寸变化直接对应于相变行为，从而为定量和定性了解材料的行为提供了一种手段。
图1：（a）热轧38MnSiVS5钢和（b）热轧4140钢的长度随温度的变化。
两种钢都以10°C / s的速度加热到1,000°C，以1°C / s的速度控制冷却到500°C，然后冷却到室温。图1显示了在膨胀仪中经过相同热处理的两种钢的热膨胀数据。尽管可以从这两张图中提取大量的定量数据，但为了简洁起见，将对它们进行讨论和定性比较。图1a显示了中碳钒（V）微合金钢38MnSiVS5，而图1b显示了常见的中碳铬钼低合金钢4140。将两种钢相对快速地（10°C / s）加热到高奥氏体化温度（1,000°C），然后以1°C / s的速度冷却到500°C，再冷却至室温。图中所示的箭头指定了在加热或冷却期间记录的数据。通常，材料在加热过程中显示出近乎线性的长度增加，而在冷却过程中显示出其长度减少。与这种近乎线性行为的显著偏离表明相变已经开始。随后，当材料在加热过程中恢复到近似线性膨胀或在冷却过程中收缩时，相变接近完成。在图1a和图1b中，钢在加热过程中表现相似，而在冷却过程中表现则有差异。在加热过程中，由于它们具有可比的碳含量和起始显微结构，它们类似地从铁素体和渗碳体（Fe3C）的混合物转变为奥氏体。在冷却过程中，由于合金含量的不同，两种钢的表现也有所不同，从而导致4140钢更易硬化，因此在较低的温度下发生相变。38MnSiVS5钢在相对较高的温度下逆转了加热时的相变，从热处理开始到结束没有净尺寸变化。4140钢在低得多的温度下转变，导致马氏体由奥氏体形成，而不是由铁素体和渗碳体的混合物形成。热处理后的4140钢其开始和结束显微组织之间的差异导致尺寸变化，该尺寸变化是通过测厚法样品的最终长度的增加来测量的。当这种尺寸变化均匀地在零件中发生时，可以很容易地在精加工余量变化中加以说明。然而，由于热梯度引起的尺寸不均匀变化会导致形状变化，这更难以解决。
加热变形的原因
影响加热过程中变形的两个主要因素是材料和几何形状。可惜，在许多情况下，加热变形的根本原因是两个因素的共同作用，这也可能影响冷却变形，从而进一步增加了复杂性。最终，加热变形是零件内相变梯度的结果。相变过程中产生的应力可能会超出材料的局部屈服强度，从而导致形状发生明显变化。图2显示了来自三种材料加热部分的膨胀仪数据，显示出明显不同的加热行为。38MnSiVS5数据与图1a相同，显示为与镍200和Ti-6Al-4V之间的比较。两种有色金属材料，镍200和Ti-6Al-4V，分别代表加热过程中控制变形的最佳和最差情况。镍200合金是单相材料，不显示任何相变，而Ti-6Al-4V合金在加热过程中显示出明显的尺寸变化。Ti-6Al-4V的变形控制可能非常困难，因为发生相变的温度范围很大（是38MnSiVS5的两倍），而且尺寸变化的幅度是38MnSiVS5的五倍。除了材料选择以外，可能导致加热变形的方案的详细信息包括：镍200合金是单相材料，不显示任何相变，而Ti-6Al-4V合金在加热过程中显示出明显的尺寸变化。除了材料选择以外，还可能导致加热变形的详细信息包括：
图2：加热38MnSiVS5钢，市售纯镍（镍200）以及普通钛合金（Ti-6Al-4V）时，
来自Motyka和Sieniawski的钛数据[2]。材料均匀性：硬化速度慢或合金含量高的材料可能会导致化学性质发生重大变化，即使在等温保持期间也会导致相变梯度。工具钢就是这种观察到的一个很好的例子[1,3]。零件分类系统：重力会导致薄壁零件因重量的影响而产生变形，从而导致超过给定温度下的屈服强度，甚至在某些极端情况下由于蠕变而导致的扭曲。薄截面：热传递与几何形状有关。与加热过程中的其余部分相比，薄截面将更快地膨胀，并且相变更快。两种情况都将导致应力从而使零件变形。
减轻加热变形
使加热过程中变形最小化的一些方法包括：缓慢的加热速率，预热和中间等温控制。这些工艺更改按应执行的顺序列出，以最大程度地减少变形。缓慢的加热速率是可以采取的减少加热时变形的最重要措施，因为它降低了零件内的热梯度，从而降低了所有上述情况下的变形风险。在炉子热处理期间可以实现的一种方法是始终装入冷炉。预热通常是次临界的（在加热过程中发生相变之前），对于具有显著合金偏析或横截面变化的材料，可以将预热与缓慢的加热速率结合使用。预热保持的持续时间通常取决于几何形状。使用中间等温保持的原因与预热保温相同，仅在稍微超临界（加热过程中发生以上相变）时发生，以使整个横截面变为单相，然后再继续加热至最终等温保持温度。
结论
通过控制热梯度可以使变形最小化。尽管这很容易被视为过于简单化，而且并非在所有情况下都适用，但它可以洞悉大多数变形机制。热和化学成分梯度导致相变梯度，该相变梯度会引起材料内的应力，该应力可能超过该温度下的局部屈服强度，从而导致形状变化。变形敏感的材料或零件可能需要慢速加热，预热和中间控制的组合才能获得所需的结果。
(本平台"常州精密钢管博客网"的部分图文来自网络转载，转载目的在于传递更多技术信息。我们尊重原创，版权归原作者所有，若未能找到作者和出处望请谅解，敬请联系主编微信号：steel_tube，进行删除或付稿费，多谢!)
