一、齒輪加工變形問題
齒輪加工熱處理變形是一個(gè)不可逆的塑性變形，首先應(yīng)該從應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系入手。從金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線知道，金屬材料在外力作用下先有一個(gè)彈性變形，在彈性可逆變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變保持單值線性關(guān)系，服從胡克定侓。當(dāng)外力增加到一定程度的時(shí)候，外力大于屈服極限材料發(fā)生塑性變形，塑性變形的的實(shí)質(zhì)是晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移，外力大于斷裂極限時(shí)材料就會(huì)斷裂。塑性變形的主要方式是滑移和孿生，主要特征是各晶粒變形的不同時(shí)性、不均勻性和各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性。熱處理變形因產(chǎn)生原因不同而有所不同，主要有復(fù)雜應(yīng)力作用下應(yīng)力值超過材料的屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的塑性變形，組織轉(zhuǎn)變時(shí)相變發(fā)生體積變形和淬火后回火不穩(wěn)定組織的時(shí)效變形。熱處理變形的影響因素歸類總結(jié)如圖1，根據(jù)圖1結(jié)合具體條件，大致可以分析出影響熱處理變形問題的主要因素。
二、齒輪加工熱處理
討論熱處理過程中內(nèi)應(yīng)力，要先從簡(jiǎn)單的零件含碳量?jī)?nèi)外均勻相同情況下非滲碳淬火件的常規(guī)整體淬火時(shí)的零件內(nèi)應(yīng)力狀況說起，零件在加熱和保溫階段產(chǎn)生熱應(yīng)力，奧氏體化階段由于奧氏體塑性好，珠光體與奧氏體的體積差較小，產(chǎn)生的組織應(yīng)力也不大。零件在進(jìn)行冷卻淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種不同的內(nèi)應(yīng)力: 熱應(yīng)力和相變應(yīng)力?；ㄩ_兩朵，各表一枝， 先談熱應(yīng)力，表層與心部只是一種相對(duì)簡(jiǎn)化的表述方式，工件在加熱和冷卻過程中的真實(shí)狀況遠(yuǎn)比這個(gè)簡(jiǎn)單描述復(fù)雜得多，實(shí)際上由表及里是連續(xù)性的物體空間，表層與心部并沒有明確的分界。在熱應(yīng)力的作用下冷卻淬火時(shí)最終使工件表層呈壓應(yīng)力狀態(tài)，而心部呈拉應(yīng)力狀態(tài)。在冷卻開始的時(shí)候表層是正的拉應(yīng)力，心部是負(fù)的壓應(yīng)力，圖2為圓柱純鐵試樣快冷過程中熱應(yīng)力變化示意圖，圖2(a) 顯示表層與心部溫差最大在W點(diǎn)出現(xiàn)，心部冷卻開始快于表面冷卻，表面拉應(yīng)力開始下降，心部壓應(yīng)力開始上升，在某一時(shí)刻U點(diǎn)，表里熱應(yīng)力相交居于0值即此 時(shí)此刻熱應(yīng)力為零; 隨后由于心部冷卻速度繼續(xù)快于表面，熱應(yīng)力方向出現(xiàn)反向，表面呈負(fù)的壓應(yīng)力， 心部呈現(xiàn)正的拉應(yīng)力，最后到某一時(shí)刻V點(diǎn)及以后工件溫度很低，鋼的屈服強(qiáng)度升高，熱應(yīng)力不再引起塑性變形，這樣應(yīng)力分布就保留下來，成為殘留應(yīng)力使得工件發(fā)生熱處理變形甚至開裂。圖2(b) 曲線1是試樣完全彈性狀態(tài)下表層應(yīng)力變化示意圖，曲線2是表層實(shí)際應(yīng)力變化示意圖，曲線3是心部實(shí)際應(yīng)力變化示意圖 。圖2(c) 、2(d) 、2(e) 圖分別表示 W、U、V 點(diǎn)時(shí)刻表面與中心的應(yīng)力狀態(tài)。
三、齒輪不同材料情況發(fā)生
不同應(yīng)力狀態(tài)下材料屈服強(qiáng)度不同，并非材料性質(zhì)變化而是材料在不同條件 下表現(xiàn)的力學(xué)行為不同。只有當(dāng)內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的脆斷強(qiáng)度時(shí)，才可能不會(huì)產(chǎn)生開裂。在淬火冷卻過程中，Ms點(diǎn)以上的冷卻主要是受熱應(yīng)力影響，因?yàn)榇藭r(shí)沒有馬氏體相變，只有極少的珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變，所以相變組織應(yīng)力很小，熱應(yīng)力越大，變形也越大，這是因?yàn)榇藭r(shí)材料基體處在奧氏體狀態(tài)，塑性較好，一般不會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，但對(duì)熱變形影響較大。開裂主要發(fā)生在Ms點(diǎn)以下溫度，內(nèi)因是馬氏體塑性較差，外因是此時(shí)的內(nèi)應(yīng)力總和(即熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加) 大于材料脆斷強(qiáng)度。如果零件截面較大，淬透性又很好，能夠使零件內(nèi)部也發(fā)生馬氏體相變，冷卻一段時(shí)間后心部開始轉(zhuǎn)變的時(shí)候，表層馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)缫淹瓿?，由于馬氏體轉(zhuǎn)變有體積膨脹傾向， 隨著轉(zhuǎn)變量增加，心部對(duì)表層施加的應(yīng)力越來越大， 將表層脆性的馬氏體層脹開形成裂紋源，繼而擴(kuò)展造成斷裂。然而，心部馬氏體轉(zhuǎn)變滯后于表層馬氏體轉(zhuǎn)變，兩者不同步往往是開裂產(chǎn)生的主要原因。理論上講在Ms點(diǎn)以下冷卻速度極快，表層和心部馬氏體轉(zhuǎn)變幾乎同步，一起發(fā)生體積膨脹反而不容易開裂。而冷卻速度較慢時(shí)，心部馬氏體轉(zhuǎn)變量較低， 組織應(yīng)力不大，反而不容易開裂。然而，介于兩者之間的中間冷卻速度，表層與心部均會(huì)先后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變又不同步時(shí)，這種情況最容易引起開裂。因此，淬透性越好，且截面厚度又處在一個(gè)危險(xiǎn)尺寸范圍內(nèi)的零件，特別容易出現(xiàn)淬火開裂，其淬火后的殘余應(yīng)力狀態(tài)是表面受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力。