工件尺寸对加工影响的分析

在操作中如果加热速度控制不当，造成工件的内外温差过大，在工件的内部将产生较大的热应力，从而使工件出现变形或裂纹。对厚大工件来说，不仅受炉子给热能力的限制，而且还受到工件本身所允许的加热速度的限制。这种限制可归纳为在加热初期断面上温差的限制，在加热末期断面上烧透程度的限制和因炉温过高造成的加热缺陷的限制^[1]。

1.加热初期工件断面上温差的限制

在加热初期，工件表面与中心产生温度差。表面的温度高，热膨胀较大；中心的温度低，热膨胀较小。而表面与中心是一个不可分割的金属整体，所以膨胀较小的中心部分将限制表面的膨胀，使工件表面受到压应力；同时，膨胀较大的表面部分将强迫中心部分一起膨胀，使中心受到拉应力。这种应力称为热应力。从断面上的应力分布可以看出，在表面与中心处的热应力都是最大的，在表面与中心之间的某个位置上的金属则既不受到压应力也不受到拉应力。

加热速度越大，内外温差越大，产生的热应力也越大。当热应力在钢的弹性极限以内时，对工件的质量没有影响，因为随着温度差的减小和消除，应力会自然消失。当热应力超过钢的弹性极限时，工件将发生塑性变形。当温差消除后热应力没有完全消失，即生成残留应力。如果热应力再大，超过了钢的强度极限时，则工件在加热过程中就会破裂，这时热应力对于工件中心的危害性更大，因为中心受的是拉应力。一般钢的抗拉强度远低于其抗压强度，所以工件中心的热应力容易造成内裂。

如果钢的塑性很好，即使在加热过程中形成很大的内外温差，也只能引起塑性变形，以任意速度加热，都不会因热应力而引起工件开裂。如果钢的导热性好（热导率大），则在加热过程中形成的内外温差就小，加热时因温差应力所引起的塑性变形或开裂的可能性较小。低碳钢的热导率大，高碳钢和合金钢的热导率小，因而高碳钢和合金钢在加热时容易形成较大的内外温差，而且这些钢在低温时塑性差、硬而脆，所以它们在加热时容易发生因热应力而引起的开裂。

如果被加热工件的断面尺寸较小，则加热时形成的内外温差也较小；断面尺寸大的工件因加热时形成较大的内外温差，容易因热应力而导致工件变形或开裂。

根据上述分析，可概括出下列结论：

1）在加热初期，限制加热速度的实质是减少热应力。加热速度越快，表面与中心的温度差越大，热应力越大，这种应力可能超过钢的强度极限，而造成工件的破裂。(www.xing528.com)

2）对于塑性好的金属，热应力只能引起塑性变形，危害不大。因此，低碳钢在500～600℃以上温度加热时，可以不考虑热应力的影响。

3）允许的加热速度还与金属的物理性质（特别是导热性）、几何形状和尺寸有关，因此，对大的高碳钢和合金钢工件加热要特别小心，而对薄材则可以任意速度加热而不致发生开裂的危险。

2.加热末期工件断面上烧透程度的限制

在加热末期，工件断面同样具有温度差。加热速度越大，则形成的内外温度差越大。这种温度差可能超过所要求的烧透程度，而造成压力加工上的困难。因此，所要求的烧透程度往往限制了工件加热末期的加热速度。

但是，理论和实践都说明，为了保证所要求的最终温差而降低整个加热过程的加热速度是不合算的。因此，往往是用比较快的速度加热以后，为了减少温差可以降低加热速度或进行保温，以求得内外温度均匀。

上述两个温差（加热初期为避免裂纹和开裂所允许的内外温差和加热末期因烧透程度要求的内外温差）都对加热速度有所限制，准确地控制工件达到所要求的加热温度需要一定的加热时间，这三个要素构成了制订加热制度的主要基础。

一般低碳钢大都可以进行快速加热而不会给产品质量带来什么影响。但是，加热高碳钢和合金钢时，其加热速度就要受到一些限制。高碳钢和合金钢在500～600℃以下温度时易产生裂纹，所以加热速度的限制是很重要的。