歪扭（翘曲）变形的基本规律探究

1.热应力引起的淬火变形（热歪扭）

钢件淬火时，由于截面各部分的冷却速度不同，而造成温度的差异，钢件热胀冷缩，由于体积收缩不均匀，导致形成热应力。如果热应力超过钢件的屈服强度时，就会造成钢件的塑性变形。

热应力所引起的变形往往使钢件趋向“腰鼓”形状，即直径涨大而长度缩小。淬火时，钢从高温急剧冷却，钢的表层要比其内部的冷却速度快而发生较激烈的收缩。钢件内部由于冷却较慢，其收缩较小。由于内部的阻碍使表面承受拉应力作用，当拉应力超过其高温屈服强度时，表层即发生塑性滑移变形。

若外层温度比心部低ΔT，钢件直径为D，变形量为ΔD，热胀系数为λ，则相对变形量为

若在此温度下的弹性模量为E，则产生的热应力为

σ_H＝EλΔT

式中，λ随温度的升高而增大；E值则随温度的升高而降低。如表层和心部的温差ΔT＝500℃，E＝150000MPa，λ＝0.000019/℃，则按上式即可得出表层因急冷收缩受心部限制而产生的拉应力，σ_H＝1425MPa，超过了钢件表层在该温度下的屈服强度（一般钢的高温屈服强度都低于此值），从而发生了涨大的拉伸塑性变形，结果引起表面凸起。在随后的冷却过程中，内部还要发生收缩，但却受到已冷却下来的外层的限制，所以内部呈现拉应力，表面受到压应力的作用，发生应力反转（但也不能使其变形完全回复）。最终所发生的变形趋向于表面积缩小，即趋向于形成球形。直径大于厚度的圆盘件则厚度增大、直径缩小；长度大于直径的圆柱件则长度缩小、直径增大。如果将钢件加热到A₁以下的温度骤冷时，由于不发生组织上的转变，则会因急冷而产生热应力。在反复加热和冷却的条件下，由于热应力的作用而使圆柱形钢件变成腰鼓状，立方体形的钢件趋向球状的变形。

综上所述，热应力引起的变形由冷却初期表层部分的塑性拉伸变形所支配，变形倾向趋于球形化。变形的大小取决于内部应力和屈服强度之间的关系，高温强度较高的钢其变形较小。对于这种变形来说，温度分布不均匀是其主要原因，即①冷却速度越快，变形越大；②淬火加热温度越高，变形越大；③钢件截面积越大，变形越大；④钢的热导率越小，变形越大。

奥氏体钢或铁素体钢淬火时，便能够产生这种单纯由于热应力所引起的变形。(www.xing528.com)

2.组织应力引起的相变歪扭

淬火时钢中的过冷奥氏体向马氏体转变的过程中，伴随有比体积的变化。由于马氏体的比体积大于奥氏体的比体积，所以转变结果将引起体积膨胀。由于淬火冷却初期钢件表层或截面较小的部分冷却速度快，使之首先冷却到Ms点以下发生奥氏体向马氏体的转变，在钢件心部或较厚的部分这一转变略为滞后，这样就造成了马氏体向奥氏体转变的不等时性。表层和冷却较快的部分发生马氏体型相变，引起钢件外层和局部的体积膨胀，而钢件内部和冷却较慢的部分尚处于过冷奥氏体状态，此时会由于外层的膨胀而产生拉应力，外层膨胀因受到内部限制而具有压应力，因而导致变形。立方体形件的各表面倾向于凹入变形；圆柱状件的直径缩小、长度伸长；圆盘形件的直径增大、厚度减小。

进一步冷却时，中心部分的温度也降至Ms点以下，进行A→M的转变，发生体积膨胀，从而给外层一种扩张作用，造成应力状态的反转，使外表层承受拉应力作用，心部受压应力作用。由于表层为坚硬的马氏体外壳，钢的屈服强度极高，不易引起塑性滑移变形，如内应力较大时则有形成淬火裂纹的危险。

因相变而造成的体积增大的规律是：①奥氏体中的含碳量越高，体积增大越多；②形成的马氏体量越多，体积增大越多；③在Ms点以下，钢的屈服强度越高，变形越小。

3.热应力和组织应力综合作用下引起的变形

在实际生产中，钢件的热处理应力一般是既有热应力，又有组织应力，以及由组织不均匀所造成的附加应力。所谓淬火变形，就是由这些应力综合作用的结果（很少遇到因单纯的热应力或组织应力所造成的变形）。然而，究竟产生何种形式的变形，还取决于钢的淬透性和Ms点的位置，这两个因素又取决于钢的化学成分等。对于具有一定成分的某种钢来说，Ms点又取决于其淬火加热温度，因为淬火加热温度的高低对高温奥氏体中的含碳量及合金元素含量具有决定作用。另外，加热温度对热应力的大小和残留奥氏体量的多少也有重要影响。其他如冷却速度、工件形状、尺寸因素等对淬火应力及淬火变形也有直接的影响。

对于一般结构钢来说，Ms点较高，屈服强度较低。因而，淬透性越好的钢，其表层由相变引起的塑性拉伸变形越显著，也就是说，是兼受热应力和组织应力的综合作用，其结果是产生以组织应力为主的相变变形。

淬透性良好的钢进行穿透淬火时，在冷却初期，即表层和心部都在Ms点以上时，表层因急冷收缩受内部的阻碍而产生拉应力，心部受到压应力作用。当表层冷却至Ms点以下时，因发生马氏体转变而产生膨胀，但却受到心部的限制，因而加速了应力反转，使心部受到拉应力作用，并导致组织应力型的相变变形。当心部也冷至Ms点以下时，因心部马氏体转变而再度发生应力反转，使表层受拉应力作用，心部受压应力作用。