钢件热处理变形的原因

钢奥氏体化时，晶体结构从体心立方的铁素体和珠光体转变为面心立方奥氏体。奥氏体的原子排列更紧密，因此加热时单位质量的体积下降。冷却时这部分体积会回来，而当零件转变为马氏体时，体积会比初始状态更大。1045 或 4140 的截面长度可增长千分之几，在 200 mm 的轴上这是肉眼可见的数值，不是舍入误差。

碳含量决定这种变化的幅度。1018 等低碳钢形成的马氏体少，变形也小。4140、4340 等中碳钢转变更完全，体积变化更大。合金元素会改变转变开始和结束温度，从而改变体积增长相对于冷却曲线发生的时间。

零件形状决定体积增长落在哪里。薄壁冷却快、转变早；厚凸台冷却慢、转变晚。两个区域相互对抗，零件会向最后完成转变的一侧弯曲。均匀的截面厚度是最有效的解决办法，而它在设计阶段就已决定，不在炉子里。

并非所有钢的行为都一样。马氏体时效钢和 17-4PH 等沉淀硬化钢在时效时略微收缩而不是长大，因为转变路径不同。高碳化物含量的工具钢在轧制后一个方向变形小、另一个方向变形大，这就是方向性对长零件很重要的原因。

加热和冷却过程中，表面与心部温度从不相同。表面先膨胀或收缩，心部则抵抗。这种不匹配产生热应力，一旦超过该温度下钢的屈服强度，变形就变成塑性且永久。

淬火使情况更糟，因为冷却速率按设计就很高。水淬的 1045 零件在最初几秒内表面与心部温差可达数百度。油和聚合物淬火剂减缓初期阶段、降低梯度，代价是淬硬层较浅。

截面尺寸决定了上限。4140 的 25 mm 圆棒油淬通常能在不超过屈服强度的情况下完成。同样钢材直径 100 mm 时则需要不同的淬火剂或不同的淬透性牌号，因为心部根本跟不上表面。

急性应力表现为裂纹。慢性应力表现为零件冷却后出现的弯曲或扭曲。两者来源相同，都应通过更慢、更均匀的冷却来应对，而不是靠收紧最终公差。

毛坯内部已有的应力不会因零件进炉而消失。它会释放，而释放就意味着变形。冷拔棒、冷轧板和重度磨削表面都带有制造工序留下的应力。

加工又叠加一层。钝刀重切削会在表面留下拉应力层。零件在应力层与心部平衡时保持形状，热处理打破平衡后便弯曲。

淬火前留量去除是标准对策。粗加工后每边留 0.5–1.5 mm，在 550–650 °C 去应力，然后再精加工。具体数值取决于去除的材料量和零件的不对称程度。

冷作是相关的陷阱。弯曲或校直过的轴在弯曲处带有应力。它在工作台上看起来是直的，淬火后却变弯。热处理后校直只有在应力被重新分布而不只是反向时才有效。

实际中三种机制相互重叠。截面不均的零件同时发生不均匀转变、不均匀冷却和不均匀应力释放。事后区分它们很困难，因此有用的工作要在热处理之前完成。

一个快速的诊断顺序有帮助。先检查零件整体是长大还是缩小，因为长大指向相变，纯弯曲指向应力。再检查变形是否在批次内重复，因为可重复的规律是设计或工艺问题，而不是随机的炉子问题。

批次内零件变形方向各不相同，通常指向装炉。堆放过紧的零件不同面冷却速率不同。在工装夹具上隔开或悬挂，往往比任何淬火槽改动更能减少差异。

工装夹具要花钱、占场地。单件原型很少值得。对于 10,000 件的批量，能把直线度控制在 0.05 mm 以内的夹具，通常在前几批避免的废品中就收回成本。