【譯文】加熱時(shí)的變形
在機(jī)械制造中，由于變形對(duì)合金的選擇，材料來(lái)源，工藝設(shè)計(jì)和工藝流程的潛在影響，因此了解變形機(jī)制至關(guān)重要。圍繞變形的討論通常都集中在控制零件的冷卻以及所產(chǎn)生的應(yīng)力上，這可以理解的，因?yàn)橥ǔ⑵湟暈榇蠖鄶?shù)熱處理工藝和材料變形的主要原因。但是，許多情況下加熱也可能會(huì)導(dǎo)致變形。區(qū)分加熱變形和冷卻變形通常非常困難，但對(duì)于優(yōu)化整個(gè)熱處理工藝和最小化下游成本至關(guān)重要。
控制變形的重要性
變形是機(jī)械制造中的重要課題，因?yàn)樗苯优c成本相關(guān)。控制變形的大小以及零件間的變化，可以使近凈形零件進(jìn)入優(yōu)化的熱處理工藝，從而使精加工余量最小化。最終，將精加工操作的循環(huán)時(shí)間減至最少，而又不會(huì)顯著影響熱處理的周期時(shí)間。當(dāng)然，這種節(jié)省成本的假設(shè)是工藝和零件的函數(shù)，需要針對(duì)每種情況進(jìn)行評(píng)估。
了解變形
零件變形的特征可能是由于均勻的顯微組織改變（例如相變）引起的尺寸變化，或是由于熱梯度或重力產(chǎn)生的應(yīng)力而引起的形狀變化[1]。對(duì)零件大小和形狀變化的量化往往是了解其變形的第一步。通常，這是通過(guò)以適當(dāng)?shù)木人綇慕y(tǒng)計(jì)角度測(cè)量可觀數(shù)量的零件，處理每個(gè)零件，并準(zhǔn)確地測(cè)量每個(gè)零件的后處理并最終比較預(yù)處理和后處理的測(cè)量值來(lái)完成。盡管此方法產(chǎn)生了大量信息，可以轉(zhuǎn)換為工藝改進(jìn)策略，但它是迭代的，因此成本很高。使用來(lái)自受控實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確材料行為數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)建模軟件可以顯著減少此迭代過(guò)程，從而使初始零件的幾何形狀從一開(kāi)始就接近最佳。膨脹法是一種實(shí)驗(yàn)方法，用于通過(guò)精確測(cè)量尺寸隨時(shí)間和溫度的變化來(lái)量化熱處理過(guò)程中幾乎所有區(qū)域的材料變化。尺寸變化直接對(duì)應(yīng)于相變行為，從而為定量和定性了解材料的行為提供了一種手段。
圖1：（a）熱軋38MnSiVS5鋼和（b）熱軋4140鋼的長(zhǎng)度隨溫度的變化。
兩種鋼都以10°C / s的速度加熱到1,000°C，以1°C / s的速度控制冷卻到500°C，然后冷卻到室溫。圖1顯示了在膨脹儀中經(jīng)過(guò)相同熱處理的兩種鋼的熱膨脹數(shù)據(jù)。盡管可以從這兩張圖中提取大量的定量數(shù)據(jù)，但為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，將對(duì)它們進(jìn)行討論和定性比較。圖1a顯示了中碳釩（V）微合金鋼38MnSiVS5，而圖1b顯示了常見(jiàn)的中碳鉻鉬低合金鋼4140。將兩種鋼相對(duì)快速地（10°C / s）加熱到高奧氏體化溫度（1,000°C），然后以1°C / s的速度冷卻到500°C，再冷卻至室溫。圖中所示的箭頭指定了在加熱或冷卻期間記錄的數(shù)據(jù)。通常，材料在加熱過(guò)程中顯示出近乎線性的長(zhǎng)度增加，而在冷卻過(guò)程中顯示出其長(zhǎng)度減少。與這種近乎線性行為的顯著偏離表明相變已經(jīng)開(kāi)始。隨后，當(dāng)材料在加熱過(guò)程中恢復(fù)到近似線性膨脹或在冷卻過(guò)程中收縮時(shí)，相變接近完成。在圖1a和圖1b中，鋼在加熱過(guò)程中表現(xiàn)相似，而在冷卻過(guò)程中表現(xiàn)則有差異。在加熱過(guò)程中，由于它們具有可比的碳含量和起始顯微結(jié)構(gòu)，它們類(lèi)似地從鐵素體和滲碳體（Fe3C）的混合物轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在冷卻過(guò)程中，由于合金含量的不同，兩種鋼的表現(xiàn)也有所不同，從而導(dǎo)致4140鋼更易硬化，因此在較低的溫度下發(fā)生相變。38MnSiVS5鋼在相對(duì)較高的溫度下逆轉(zhuǎn)了加熱時(shí)的相變，從熱處理開(kāi)始到結(jié)束沒(méi)有凈尺寸變化。4140鋼在低得多的溫度下轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致馬氏體由奧氏體形成，而不是由鐵素體和滲碳體的混合物形成。熱處理后的4140鋼其開(kāi)始和結(jié)束顯微組織之間的差異導(dǎo)致尺寸變化，該尺寸變化是通過(guò)測(cè)厚法樣品的最終長(zhǎng)度的增加來(lái)測(cè)量的。當(dāng)這種尺寸變化均勻地在零件中發(fā)生時(shí)，可以很容易地在精加工余量變化中加以說(shuō)明。然而，由于熱梯度引起的尺寸不均勻變化會(huì)導(dǎo)致形狀變化，這更難以解決。
加熱變形的原因
影響加熱過(guò)程中變形的兩個(gè)主要因素是材料和幾何形狀。可惜，在許多情況下，加熱變形的根本原因是兩個(gè)因素的共同作用，這也可能影響冷卻變形，從而進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。最終，加熱變形是零件內(nèi)相變梯度的結(jié)果。相變過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力可能會(huì)超出材料的局部屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致形狀發(fā)生明顯變化。圖2顯示了來(lái)自三種材料加熱部分的膨脹儀數(shù)據(jù)，顯示出明顯不同的加熱行為。38MnSiVS5數(shù)據(jù)與圖1a相同，顯示為與鎳200和Ti-6Al-4V之間的比較。兩種有色金屬材料，鎳200和Ti-6Al-4V，分別代表加熱過(guò)程中控制變形的最佳和最差情況。鎳200合金是單相材料，不顯示任何相變，而Ti-6Al-4V合金在加熱過(guò)程中顯示出明顯的尺寸變化。Ti-6Al-4V的變形控制可能非常困難，因?yàn)榘l(fā)生相變的溫度范圍很大（是38MnSiVS5的兩倍），而且尺寸變化的幅度是38MnSiVS5的五倍。除了材料選擇以外，可能導(dǎo)致加熱變形的方案的詳細(xì)信息包括：鎳200合金是單相材料，不顯示任何相變，而Ti-6Al-4V合金在加熱過(guò)程中顯示出明顯的尺寸變化。除了材料選擇以外，還可能導(dǎo)致加熱變形的詳細(xì)信息包括：
圖2：加熱38MnSiVS5鋼，市售純鎳（鎳200）以及普通鈦合金（Ti-6Al-4V）時(shí)，
長(zhǎng)度的變換為加熱對(duì)溫度變化的函數(shù)。來(lái)自Motyka和Sieniawski的鈦數(shù)據(jù)[2]。材料均勻性：硬化速度慢或合金含量高的材料可能會(huì)導(dǎo)致化學(xué)性質(zhì)發(fā)生重大變化，即使在等溫保持期間也會(huì)導(dǎo)致相變梯度。工具鋼就是這種觀察到的一個(gè)很好的例子[1,3]。零件分類(lèi)系統(tǒng)：重力會(huì)導(dǎo)致薄壁零件因重量的影響而產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致超過(guò)給定溫度下的屈服強(qiáng)度，甚至在某些極端情況下由于蠕變而導(dǎo)致的扭曲。薄截面：熱傳遞與幾何形狀有關(guān)。與加熱過(guò)程中的其余部分相比，薄截面將更快地膨脹，并且相變更快。兩種情況都將導(dǎo)致應(yīng)力從而使零件變形。
減輕加熱變形
使加熱過(guò)程中變形最小化的一些方法包括：緩慢的加熱速率，預(yù)熱和中間等溫控制。這些工藝更改按應(yīng)執(zhí)行的順序列出，以最大程度地減少變形。緩慢的加熱速率是可以采取的減少加熱時(shí)變形的最重要措施，因?yàn)樗档土肆慵?nèi)的熱梯度，從而降低了所有上述情況下的變形風(fēng)險(xiǎn)。在爐子熱處理期間可以實(shí)現(xiàn)的一種方法是始終裝入冷爐。預(yù)熱通常是次臨界的（在加熱過(guò)程中發(fā)生相變之前），對(duì)于具有顯著合金偏析或橫截面變化的材料，可以將預(yù)熱與緩慢的加熱速率結(jié)合使用。預(yù)熱保持的持續(xù)時(shí)間通常取決于幾何形狀。使用中間等溫保持的原因與預(yù)熱保溫相同，僅在稍微超臨界（加熱過(guò)程中發(fā)生以上相變）時(shí)發(fā)生，以使整個(gè)橫截面變?yōu)閱蜗啵缓笤倮^續(xù)加熱至最終等溫保持溫度。
結(jié)論
通過(guò)控制熱梯度可以使變形最小化。盡管這很容易被視為過(guò)于簡(jiǎn)單化，而且并非在所有情況下都適用，但它可以洞悉大多數(shù)變形機(jī)制。熱和化學(xué)成分梯度導(dǎo)致相變梯度，該相變梯度會(huì)引起材料內(nèi)的應(yīng)力，該應(yīng)力可能超過(guò)該溫度下的局部屈服強(qiáng)度，從而導(dǎo)致形狀變化。變形敏感的材料或零件可能需要慢速加熱，預(yù)熱和中間控制的組合才能獲得所需的結(jié)果。
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