[发明专利]一种基于相变塑性的热处理变形的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料加工工艺，尤其是涉及一种基于相变塑性的热处理变形的控制方法。

背景技术

金属制品的机械零部件通常可通过热处理来提升力学性能。而在热处理过程中，由于存在材料不均匀性、加热和冷却不均匀性、残余应力等因素，被处理零部件通常会产生不同程度的弯曲和翘曲等现象，称之为热处理变形。发生热处理变形的金属零部件如果超过了一定范围，通常需要通过矫形使其尺寸达到设计要求。热处理变形零部件的矫形原理是在外力作用下使材料发生少量塑性变形，并将该部分变形永久保留下来的加工工艺。

通常的矫形方法均基于稳定组织的塑性变形。该方法主要是对经热处理后(通常相变已经结束)的零部件，加力产生塑性变形来进行矫形。然而该方法在模具钢、工具钢等高强度钢材的矫形中，需要施加极大的矫直压力，对矫直机和轧辊要求较高。文献《不锈钢薄板激光加热矫形技术的研究》(夏寒剑.研究生硕士论文.2007)和文献《火焰加热矫形方法的研究和应用》(李伟.金属热加工.2011,9,28-19)分别报道了两种局部加热，利用热应力进行矫形的方法。但应用该方法难以控制和预测最终的形状尺寸，工艺制定较为困难。文献《钛及钛合金板材真空蠕变矫形炉研制及其应用》(任连保,张文政,唐首斌.钛工业进展.2010,27(5):28-31)报道了应用蠕变进行矫形的方法。该方法应用蠕变变形理论，在真空条件下对钛合金板材长时间加载等温，达到了矫形目的。然而该工艺耗时较长，为防止氧化长时间等温蠕变需在真空气氛中进行，对设备投资较大。

相变塑性是钢在发生相变时呈现的一种特殊的力学行为，与经典的塑性变形不同。经典的塑性变形需要外加载荷超过材料的屈服强度时才能产生不可逆的塑性变形，而相变塑性在应力低于屈服强度就可发生。相变塑性有三个基本特征：一是伴随相变发生而发生；二是应力水平低时也能产生，甚至低于弱项的屈服极限；三是随着外加应力的增大而增大。

相变塑性有如下解释：

1)由于塑性变形而引起的局部应力集中，将由于相变而得到松弛，因而防止裂纹形成，故提高了材料的韧性和塑性；

2)外加载荷超过材料的屈服强度而发生塑性变形的本质是材料内部发生了晶格的相对错位。在弹性阶段，外加应力没有超过晶格之间的作用力，因此出现可恢复性的弹性变形；而在塑性变形阶段，外加应力超过了晶格之间的作用力，即发生晶格畸变，产生位错等缺陷，并出现晶格的滑移和孪晶从而导致了不可逆的塑性变形。而在相变过程中，材料的晶格处于亚稳状态，此时晶格间作用力并不稳定，因此材料内部会出现在较小外力作用下即产生位错缺陷，导致外加应力在不超过材料本征屈服强度的情况下即产生塑性变形。

相变塑性现象早在上世纪60年代就在实验过程中发现，也已应用于热加工工艺中。中国专利申请“利用相变超塑性对金属材料机械零件进行矫形的方法”(专利公布号：CN 101935744A)提供了一种利用回火相变超塑性对金属零件进行矫形的方法，对回火过程中的零件利用工装进行固定，使其发生由于相变塑性导致的低应力塑性变形而矫形。然而金属经淬火后，材料硬度和强度已经提高，因此在回火过程中所需施加的外力也较高。且该方法需要专门设计的要求较高的工装夹具，应用范围较为局限，不适用于高强度板带材和型材等的矫形。

发明内容

本发明的目的就是为了解决热处理后的工件矫形中出现的矫形力大、时间长等问题而提供一种基于相变塑性的热处理变形的控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于相变塑性的热处理变形的控制方法，采用以下步骤：

步骤一、奥氏体化工序：将工件均匀加热至奥氏体化温度，根据材料成分保温一定时间，低合金钢保温时间为10-60min，高合金钢为30-120min，使其充分奥氏体化；

步骤二、淬火工序：将工件置于淬火液中，或进行喷雾进行急速冷却，冷却至一定温度；

步骤三、相变塑性下的矫形工序：对工件进行压力矫形，被矫形工件此时正发生相变，由于相变塑性和部分未转变奥氏体的存在，施加载荷远低于该温度下材料的屈服强度，工件发生矫形所需的塑性变形；

步骤四、回火工序：将工件置于回火炉中，控制温度为300-650℃，一般是中温或高温回火热处理，回火结束后即可得到尺寸公差合格的工件。

步骤二处理工具钢、弹簧钢或高强度合金钢时，将工件淬冷至Ms点以下50-80℃时将工件取出，淬火液的选取根据不同零部件而不同，在冷速较大的前提下保证淬火过程中零部件不会变形开裂。