变形的种类和原因

出处：按学科分类—工业技术 轻工业出版社《工模具材料应用手册》第96页（1961字）

变形是一个包括所有不可逆尺寸变化的通用术语。有两种主要的变形：一种是包括体积或线尺寸的膨胀或收缩的尺寸变形，但几何形状不发生改变；另一种是由扭曲(挠曲)，弯曲和非对称尺寸变化引起的角度和曲率改变的形状变形。通常，在热处理时，这两种变形都会发生，图23作了图解说明。

图23 淬火时的尺寸和形状变化

尺寸变形是在热处理时，由于金相组织变化所引起的比容的净变化而造成的。形状变形是由残余应力或使用应力引起的。热处理所产生的残余应力，是由加热和冷却时，在金属内部的不均匀的温度梯度、不均匀的金相组织变化和金属本身由于浇锭分凝形成多相性等原因引起的。

工具钢热处理时，金相组织的变化，是通过三步来进行的。

第一步是将退火的组织(通常由铁素体和球状碳化物组成)加热到800℃左右或更高的温度，使铁素体转变成奥氏体，并使全部或绝大部分球状渗碳体溶解在奥氏体中。对普通碳钢和低合金工具钢，奥氏体化时所产生的体积收缩，是随碳在奥氏体中的溶解度的增加而减少的。可以近似地用下式表示：

V_sA=－4．64+2．21(%c)(1)

式中V_sA是球状渗碳体进入奥氏体后，所产生的体积变化的百分值。按该式可以估计，在加热到足够高的温度，使碳全部溶入奥氏体时，则0．5%C的工具钢的体积变化值为－3．53%，1%C的普通型工具钢为－2．43%、．5%C的高碳型工具钢为－1．33%。但是，含碳量高于共析成分的工具钢，其奥氏体化温度只是高到足以使共析成分的碳量溶解为止。在这种情况下，1%C和1．5%C的工具钢的奥氏体化后的体积变化值分别为－2．77%和－2．53%。这些实际测得的体积变化值，少于按式(1)计算所得的值，因为在1．0%C钢和1．5%C钢中分别含有3．5%和12%未溶碳化物所占的体积的差值。

第二步是迅速冷却，使奥氏体转变形成马氏体。在转变时，钢要发生膨胀，其膨胀量是与碳在奥氏体中的固溶度成反比。数学式为：

V_AM=4．64－0．53(%C)(2)

式中V_AM是奥氏体转变成马氏体时的体积变化百分值。如果奥氏体化是在正常的奥氏体化温度下进行的话，按式(2)可以估算0．5%C的工具钢作这个转变的体积增值为4．37%，但1．0%和1．5%C的工具钢，则体积增值分别为4．07%和3．71%(碳的共析量仅0．8%C在溶解状态中，此外，考虑到未溶碳化物占有的体积)。

式(1)、(2)可以用来计算退火工具钢淬硬到马氏体状态时的净体积变化值。例如0．5%C，1%C和1．5%C(钢)，在正常热处理时所产生的净体积变化百分值分别为－3．53+4．37=0．84%，－2．77+4．07=1．30%和－2．53+3．71=1．18%这些数据可以作为上述计算式的例子。线尺寸的净变化值，相应地为体积净变化值的。

第三步是把刚转变的马氏体进行低温回火，以增加韧性和减少晶格应力。回火时，将产生多种取决于回火温度和时间的金相组织转变。

在室温进行长时间保持，或在200℃以下短时保温后，在碳钢和低合金工具钢中的高碳马氏体，将转变成低碳马氏体(约0．25%C)加ε碳化物，并伴有体积上的缩小。在200～430℃转高的温度下回火时，这时的回火组织为铁素体加渗碳体。

淬火时，要使奥氏体最大限度地转变为马氏体，需要连续冷却到低于马氏体转变终点的温度(Mf)。对于共析钢，Mf点约为－50℃。为防止开裂，工具从淬火介质中出来后，需在热态(60℃)进行及时回火。但即使在这种情况下，碳素工具钢或低合金工具钢仍存在有相当比例的(10%或更多)奥氏体，在120～260℃间增高回火温度时，残余奥氏体转变为贝氏体和ε碳化物的数量增加，同时，伴随有体积增加。

大多数合金元素会降低Mf点的温度，因此，在较高合金含量的工具钢中，在室温时的残余奥氏体含量就越多。此外，在370℃以上温度回火时，渗碳体跟碳化物的形成元素起反应，结果形成合金碳化物，并导致体积膨胀。回火时，合金碳化物的形成，是含有大量碳化物形成元素例如铬、钼、钨的工具钢的特性。