提高金屬零件尺寸穩(wěn)定性的研究

【摘 要】：通過對尺寸不穩(wěn)定性產(chǎn)生原因的分析，得出解決工件尺寸穩(wěn)定性問題，即是怎樣進行殘余應(yīng)力消除的問題。介紹了拉伸或壓縮法、振動時效法、脈動法、恒溫時效法、反淬火法、冷熱循環(huán)法、形變熱處理法、深冷處理法、磁場處理法等金屬材料與制件尺寸穩(wěn)定化處理工藝，分析了各種尺寸穩(wěn)定化處理工藝的機理、特點、適用范圍。

1.引言

金屬材料與制件自發(fā)改變形狀和尺寸的能力是確定機器與儀器的精度和可*性不斷增長的要求的重大障礙。因此，如何提高金屬材料與制件尺寸穩(wěn)定性一直是人們研究的熱點。

機械領(lǐng)域中的尺寸穩(wěn)定性問題一般是指*件在恒定或非恒定環(huán)境下所發(fā)生的尺寸或形位微小不可逆的變化（Irreversible Micro-dimensional Changes）結(jié)合工程實際，我國學(xué)者對尺寸穩(wěn)定性作了如下定義：尺寸穩(wěn)定性是表示材料在熱處理與加工完畢后，在工作環(huán)境條件下不受外力作用或在低于彈性*限的應(yīng)力作用下抵抗*變形的能力；以及在加工過程中保持尺寸不變的能力。

2.尺寸穩(wěn)定性的類型：

前蘇聯(lián)及國內(nèi)研究者常將材料尺寸穩(wěn)定性劃分為兩類：

（1）無負載下的尺寸穩(wěn)定性：又可分為恒溫和變溫條件下的尺寸穩(wěn)定性。

（2）負載下的尺寸穩(wěn)定性：又可分為短時負載下的微屈服強度和長期負載下的微蠕變抗力或應(yīng)力松弛*限。

歐美研究者常將材料尺寸不穩(wěn)定性劃分為三類：恒定環(huán)境下的尺寸變化、非恒定環(huán)境下的尺寸變化、滯彈性引起尺寸變化。

還有其他的一些劃分方法，但無論對尺寸穩(wěn)定性如何劃分，尺寸穩(wěn)定性的研究都是針對無負載下的尺寸變化、微屈服強度、微蠕變、應(yīng)力松弛等方面進行的。

3.對長期存放過程中尺寸不穩(wěn)定性產(chǎn)生原因的分析

一般認為，長期存放過程中金屬尺寸的自發(fā)變化是以下兩個因素的結(jié)果：

①材料的相與組織狀態(tài)的不穩(wěn)定性；

②在各種熱加工與冷加工工藝過程中以及在機械裝配操作時*件中發(fā)生殘余內(nèi)應(yīng)力的松弛。

是*一種因素還是*二種因素在尺寸自發(fā)變化過程的發(fā)展中起重要作用，取決于材料的性質(zhì)及其組織狀態(tài)。在具有穩(wěn)定的相成分的合金*件中，尺寸的變化與內(nèi)應(yīng)力的松弛有關(guān)。在具有亞穩(wěn)定組織的合金中，尺寸的變化是兩種因素同時作用的結(jié)果。這時相與組織的轉(zhuǎn)變急劇地加強殘余內(nèi)應(yīng)力的松弛過程。同時內(nèi)應(yīng)力又對相與組織的轉(zhuǎn)變起激活的影響，使其達到較平衡的狀態(tài)。

Paquin等人認為性能的不均勻性--各向異性也是尺寸不穩(wěn)定性的另一內(nèi)因。大部分材料在制作時不可能確定完全各向同性或均勻性，即存在各向異性。材料的各向異性會導(dǎo)致材料在加熱過程中誘發(fā)殘余應(yīng)力的松弛，從而引起尺寸變化。

4. 尺寸穩(wěn)定化處理工藝

尺寸穩(wěn)定化處理的方法一般有機械法、熱處理法以及磁場處理等，各種方法的效果不盡相同。

4.1 機械法

4.1.1拉伸或壓縮法

對形狀簡單的*件，淬火處理后利用其塑性變形高的特點在整個截面上進行*性均勻塑性變形，使外加應(yīng)力與殘余應(yīng)力進行疊加而產(chǎn)生塑性變形，使殘余應(yīng)力得以緩和和釋放。另外，通過這一過程,不僅可以降低*件毛坯的殘余應(yīng)力,而且可以使得材料各向同性、組織均勻,抗拉強度和屈服強度及抗微塑性變形能力得以提高,以提高*件毛坯的尺寸穩(wěn)定性。

4.1.2振動時效法

利用激振器使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力來降低內(nèi)應(yīng)力。振動時效的機理是一個復(fù)雜的過程。有塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯位滑移理論、能量觀點及材料力學(xué)觀點等。目前尚無定論。*們傾向于用材料力學(xué)的重復(fù)應(yīng)力過載的觀點，解釋振動時效的機理。即作用在元件上的振動應(yīng)力與其內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互作用，使殘余應(yīng)力松弛并釋放。

其效果取決于激振器、工件支點位置、激振頻率和時間。振動時效工藝的特點是：能耗低，周期短，效果好，不損壞元件表面，而且操作簡單，也沒有高溫回火時金屬表面氧化等問題。

4.1.3脈動法

通過在*件上施加載荷、頻率、呈現(xiàn)周期性變化的循環(huán)載荷，可有效釋放*件的殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性效果較為明顯。在脈動的過程中，脈動應(yīng)力和宏觀殘余應(yīng)力這兩個應(yīng)力對位錯的運動起著不同的作用。脈動應(yīng)力起著活化位錯的激活作用，脈動應(yīng)力升降可使位錯往返運動，處于被激活狀態(tài)；而宏觀殘余應(yīng)力則起著推動已被激活了的位錯，作定向運動，產(chǎn)生定向塑性變形從而使宏觀殘余應(yīng)力自身被去除一部分的作用。脈動法不會破壞其它力學(xué)性能，同時還克服了熱時效在殘余應(yīng)力再生方面的缺點。

4.2  熱處理法

4. 2. 1恒溫時效法

長時間時效是降低殘余應(yīng)力*常用的方法之一。該方法是將材料加熱到溫度下進行保溫，然后空冷。開始應(yīng)力降低速度較快，隨后應(yīng)力下降速度減慢。加熱溫度越高，時間越長，應(yīng)力降低效果越明顯，要注意的是，對于時效強化合金，加熱溫度超過時效溫度后，將會顯著軟化，微塑性形變抗力相應(yīng)降低。

恒溫時效法的機理是通過塑性變形松弛應(yīng)力，因為殘余應(yīng)力是彈性應(yīng)力，它正比于彈性模量E和彈性應(yīng)變量ε，即σ=E·ε。當溫度升高時，E值降低，殘余應(yīng)力也會相應(yīng)減少。

4.2.2反淬火法 

國內(nèi)也稱深冷急熱法。它是將含有殘余應(yīng)力的*件投入溫度為-196℃的液氮中，待冷透后迅速轉(zhuǎn)移至沸水中或用高速蒸汽噴射*件。因為深冷與急熱產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反而相互抵消，達到釋放殘余應(yīng)力的目的。試驗表明，采用液氮--高速蒸汽法可降低殘余應(yīng)力84%，采用液氮--沸水法可降低殘余應(yīng)力50%。

因急熱很難使復(fù)雜形狀*件的各個面獲得相同的升溫速度，所以只適用于簡單形狀的*件。

4.2.3冷熱循環(huán)法

這是一種將時效和冷處理相結(jié)合反復(fù)多次的方法。在循環(huán)過程中不斷產(chǎn)生的熱應(yīng)力與原始殘余應(yīng)力相疊加，超過材料的屈服強度而發(fā)生塑性變形，從而使原始殘余應(yīng)力降低。

多年來，人們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件在變溫環(huán)境中較在恒溫環(huán)境下更易于發(fā)生尺寸及形位的變化，因此，希望*件在加工完畢或裝表之前，盡量完成這種變化過程，以至于在存放及使用過程中不再發(fā)生這種變化，而確定尺寸穩(wěn)定性，故自然地形成了“老化訓(xùn)練”的概念(所謂老化訓(xùn)練，是指*件在加工完畢或裝表之前，對其進行冷熱循環(huán)處理，以達到尺寸穩(wěn)定化的目的。) 目前，制導(dǎo)系統(tǒng)中的*、組件的尺寸穩(wěn)定化處理大多采用這種方法。

冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理的規(guī)律是：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力降低幅度*大，三次循環(huán)后殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定；上限與下限溫度間隔越大，降低殘余應(yīng)力的幅度越大。效果如此明顯，一是因為加熱時原子熱運動能量增加，點陣畸變減小或消失，內(nèi)應(yīng)力降低，上限溫度越高，原子熱運動越大，塑性越好，,越有利于殘余應(yīng)力釋放。二是因為冷熱溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互作用，使殘余應(yīng)力重新分布，而獲得下降效果。材料經(jīng)過冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理工藝，得到的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，微量塑型變形抗力高，尺寸穩(wěn)定性好。

4.2.4形變熱處理法

是把塑性變形（鍛、軋等）和熱處理工藝緊密結(jié)合起來的一種熱處理方法。它可以使鋼同時受到形變強化和相變強化，可以大大提高鋼的綜合力學(xué)性能。形變熱處理是借助于形變時效機理閉鎖位錯來提高組織的穩(wěn)定性。

分析認為，多次形變熱處理后試樣低的松弛強度與金屬精細組織沒有足夠的穩(wěn)定性有關(guān)；而多次形變熱處理后在再結(jié)晶溫度以下附加退火，可以更充分地穩(wěn)定組織，因而急劇提高金屬在短時和長期負載下的微塑變抗力.為了得到高的微塑變抗力指標，僅靠多次形變熱處理和在100－200℃中間時效時形成的位錯聚積的閉鎖是不夠的，須借助于更完全的回復(fù)，在能量上較有利的狀態(tài)下在位錯聚積中發(fā)生位錯的重新分布。形變熱處理法可以有效提高材料微塑變抗力。

4.2.5深冷處理法

通常是指在以液氮為制冷劑、-130℃以下對材料進行處理，從而達到給材料改性目的的一種方法，它是常規(guī)冷處理（CSZ）的一種延伸。該方法在有效消除殘余應(yīng)力的同時，可改善（至少不降低）材料的強度、硬度、耐磨性和組織穩(wěn)定性。由于深冷處理對*件的尺寸與形狀沒有限制，因此適合于形狀復(fù)雜的模鍛件與鑄件。

深冷處理可使材料組織中的奧氏體進一步轉(zhuǎn)變成馬氏體，殘余奧氏體含量降低。深冷處理促使超微細碳化物從馬氏體中析出，將導(dǎo)致應(yīng)力釋放降低殘余應(yīng)力。低溫冷卻的收縮可使材料本身存在的微小缺陷（如微孔、應(yīng)力集中部位）產(chǎn)生塑性流變；復(fù)溫過程中在空位表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力可以減輕缺陷對材料局部強度的損害，*終表現(xiàn)為材料抗力的提高。殘余奧氏體含量降低、殘余應(yīng)力的降低、材料抗力的提高均使得深冷處理后*件的尺寸穩(wěn)定性提高。

4.3 磁場處理法

以非熱方式消除金屬中殘余應(yīng)力的技術(shù)，稱為脈沖磁處理（PMT）。脈沖磁處理方法是一種新近發(fā)展起來的降低鋼鐵材料中殘余應(yīng)力的方法。其主要通過動態(tài)磁場與鐵磁性材料相互作用來改善工件中殘余應(yīng)力分布:根據(jù)鋼鐵材料磁致伸縮的特點,在外磁場的作用下,在其內(nèi)部產(chǎn)生磁致伸縮,隨著外磁場的*大,磁致伸縮會發(fā)生從正磁致伸縮到負磁致伸縮的轉(zhuǎn)變,因此,處于動態(tài)磁場中的鋼鐵試樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生磁致振動。磁致振動與材料中局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的共同作用,有可能驅(qū)動該區(qū)域內(nèi)的位錯擺脫材料中質(zhì)點的釘扎,產(chǎn)生運動,引發(fā)滑移,形成局部的微區(qū)塑性變形,從而使得材料中的殘余應(yīng)力得到松弛。對脈沖磁處理降低殘余應(yīng)力的研究表明，帶有殘余應(yīng)力的鋼鐵構(gòu)件經(jīng)受脈沖磁處理后，殘余應(yīng)力的*大下降量可達初始殘余應(yīng)力水平的40%以上。這是提高尺寸穩(wěn)定性工藝的一個新研究方向。

5.結(jié)語

通過對長期存放過程中尺寸不穩(wěn)定性產(chǎn)生原因的分析，可知：（1）提高金屬材料與制件的微塑性形變抗力是穩(wěn)定化處理的主要任務(wù)。為了要在短期與長期負載下有高的微塑性形變抗力，須確定在金屬的所有顯微體積內(nèi)有高的位錯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和相狀態(tài)的穩(wěn)定性。

（2）降低殘余內(nèi)應(yīng)力是穩(wěn)定化處理的重要任務(wù)。金屬材料與制件的應(yīng)力分別為：產(chǎn)生于機械加工的機械加工應(yīng)力，不均勻加熱引起的熱應(yīng)力，由顯微組織鐵素體、奧氏體和馬氏體的組織變形產(chǎn)生的組織變形應(yīng)力。要提高工件尺寸穩(wěn)定性，須考慮在金屬工藝實施過程中如何防止或少產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以及如何釋放和消除殘余應(yīng)力。