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分析杯形冲压件再结晶退火后杯底圆弧侧晶粒异常粗大的原因，并选择合适的工艺方法消除这种现象
摘要：冷变形金属经回复后使内应力得到很大程度的消除，同时又能保持冷变形的硬化效果，因此，回复退火又称为去应力退火。在实际生产中，经常利用冷变形的工件进行去应力退火降低其内应力，如冲压件，冷拉钢丝，弹簧及锻件等。因此，一些铸件，焊接件及切削件，也须进行去应力退火。工件中的内应力的降低，可避免工件的变形或开裂，并提高其耐蚀性。
关键词：冲压件 再结晶退火 去应力退火工艺
一． 分析杯底圆弧侧再结晶退火后晶粒异常粗大的原因。
1.再结晶退火机理
再结晶是指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程。和回复不同，再结晶是一个显微组织彻底改组，变形储存能充分释放、性能显著变化的过程。
下图是再结晶过程新晶核的形核与长大的过程。可见随保温的时间的延长，新的等轴晶粒逐渐增多并长大，直到完全取代了变形的晶粒。再结晶完成后组织形态及晶粒大小直接关系到金属的性能。
2.影响再结晶因素
（1） 退火温度。温度越高，再结晶速度越大
（2） 变形程度：变形程度越大，其储存的变形能也越高，再结晶驱动力越大，所以，不但开始再结晶的温度越低，同时等温退火时的再结晶速度也越快。但在变形量增大到一定程度时，再结晶温度趋于一个稳定的值。
（3） 原始晶粒尺寸。在其他条件相同的情况下，金属的原始尺寸越小，则变形抗力越大，冷变形后储存的畸变能也越高，再结晶的驱动力也越大，再结晶的温度也越低。此外，金属的原始晶粒越细小，晶界越多，变形后
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提供的再结晶形核点越多，有利于结晶。
（4） 微量溶质原子：一方面，微量溶质原子灰产生一定的固溶强化作用，所以微量原子可增加变形储存能，有利于结晶 。另一方面，微量原子汇聚在晶界，阻碍了位错的运动，从而不利于再结晶。但实验表明，微量溶质原子的存在，会阻碍金属的再结晶，从而提高其再结晶的温度。
（5） 分散相粒子：分散相粒子既能促进再结晶，也能阻碍再结晶。
3. 再结晶晶粒大小的控制
（1） 预变形程度：当变形程度很小时不发生再结晶，故晶粒度不变。当变形程度在2%-8%的时候，再结晶晶粒特别粗大，此时的变形度即所谓的临界变形度。当变形大于临界变形度的时候，晶粒逐渐细化。这是由于变形度增加。储存能也增加，N和G同时增大，但N增大的速度大于G增大的速度，是G/N逐渐减小的缘故。
（2） 原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶后的晶粒也越细。因为原始晶粒细，变形储存能增高，形核驱动力大，且形核点增多，最终使G/N减小。
（3） 微量溶质元素和杂质。一方面增加储存能是驱动力增大，另一方面阻碍了晶界的移动，使G/N减小，从而使晶粒细化。
（4） 退火温度。提高退火温度，不仅使再结晶后的晶粒粗大，而且还影响临界变形度的大小。退火温度越高，临界变形度越小，再结晶后的晶粒也越大。
加工率与退火温度——晶粒尺寸关系如下图
由上图可知杯形冲压件经过再结晶退火后，由于在杯底圆弧侧处加工时变形量大，从而导致再结晶退火后此处的晶粒比其他变形比较小的地方粗大。
而由于加工后，杯形冲压零件经过很大的塑性变形，留有残余应力使组织处于亚稳态，从而降低零件的性能与使用寿命，所以得对零件退火，让其组织稳定下来，再由于当退火温度高于再结晶温度时，就会存在某些地方塑性变形量大而使晶粒异常粗大，对零件的使用性能很大影响，所以退火应在其再结晶温度下进行——去应力退火。
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二． 消除杯底圆弧侧晶粒异常粗大的工艺——去应力退火
1. 去应力退火概念
将工件加热到一定温度(通常在相变温度或再结晶温度以下)，保温一段时间，然后缓慢冷却，以消除各种内应力的退火工艺。
在压力加工、铸造、焊接、热处理、切削加工和其他工艺过程中，制品可能产生内应力。多数情况下，在工艺过程结束后，金属内部将保留一部分残余应力。残余应力 可导致工件破裂、变形或尺寸变化，残余应力也提高金属化学活性，在残余拉应力作用下特别容易造成晶间腐蚀破裂。因此，残余应力将影响材料的使用性能或导致 工件过早失效。
进行去应力退火时，金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形(当应力超过该温度下材料的屈服强度时)或局部的弛豫过程(当应力小于该温度下材料的屈服强度时)使残余应力松弛而达到消除的目的。
在去应力退火时，工件一般缓慢加热至较低温度(灰口铸铁为500～550℃，钢为500～650℃，有色金属合金冲压件为再结晶开始温度以下)，保持一段时间后，缓慢冷却，以防止产生新的残余应力。
去应力退火并不能完全消除工件内部的残余应力，而只是大部分消除。要使残余应力彻底消除，需将工件加热至更高温度。在这种条件下，可能会带来其他组织变化，危及材料的使用性能。
2. 去应力退火机理
被加热的工件随温度的升高，强度下降。当强度下降到一定水平，内应力>加热金属的屈服强度时，工件就会产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，对于特定材质的工件，保温温度越高，保温时间越长，消去应力越彻底。去应力退火后工件残余应力幅值的降低取决于保温温度下金属材料的屈服强度及其蠕变特性，这两者与保温温度和残余应力本身的幅值有关。在保温完成后，工件的残余应力值已低于材料在该温度下的屈服强度。在冷却过中，随温度的降低，材料的屈服强度逐渐提高，已不可能在产生塑性变形，自然也不会释放残余应力，低的残余应力久保留了下来。
3.去应力退火温度和时间的确定
去应力退火温度和时间一般根据零件的化学组成，零件尺寸，零件的塑性变形程度，使用环境来决定。
一般来说，温度越高去除应力所用的时间越短，应力被去除越干净，但材料的硬度和强度会随着温度提高而降低。
加热温度为：650℃
加热速度：120℃/小时
每毫米厚度的保温时间：3分钟
冷却速度：70℃/小时
对薄壁工件、易变形的焊接件，退火温度应低于下限
低温时效用于工件的半加工之后（如粗加工或第一次精加工之后），一般采用较低的温度。
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消除工件的残余应力，不仅要有一定的温度，而且需要足够的保温时间使局部塑性变形和应力释放过程得以完成。保温时间根据厚度来推出最小保温时问。如钢材Q235和Q345，
当厚度H≤50mm时，保温时间(H/25)h，但>0.25h.当H>50mm时，保温时间为【（150+H）/100】h。这都是最小保温时间，实际保温时间常大于此计算值。先假设结构件壁厚较大，保温时间为3～5h，以保证能充分消除残余应力。下图表明了退火温度和保温时间与消除应力之间的关系。
退火温度和保温时间与消除应力的关系由上图可以发现这样的规律：
① 在相同的保温时间下，温度越高，残余应力消除越快。
② 在保温开始时，残余应力急剧下降，温度越高，表现越明显。这是因为在开始保温时，焊接接头的残余应力最高。当温度越高，局部越易产生塑性变形之故。
③在一定保温温度下，残余应力开始迅速降低。达到一定幅值时，延长保温时间，残余应力几乎保持不变。这是因为随着保温时间的增加，残余应力逐渐降低，应力降低到一定程度时，已不足以使金属发生局部塑性变形，残余应力就保留在最低值了。研究表明，在450℃退火只有50% 的应力得到消除，而要使内应力完全消除，600℃需1．5h，650℃只需1h。因此，在保证质量的前提下，可适当提高保温温度，缩短保温时间，降低成本，提高设备的使用效率。加热和冷却速度加热和冷却速度自然是越慢越好，但这样会增加生产成本，延长生产周期。冷却速度过快，又会因工件不同截面处温差过大而产生新的附加应力。尤其是壁厚越大，温差越大，所以要求加热(或冷却)速度越慢越好。在加热(或冷却)过程中，一般在400℃ 以上温度范围内，应控
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制加热(或冷却)速度。
加热速度R1 应满足下列要求： R1≤220×25／H（厚度H） ，且最大不超过220℃／h；
冷却速度R2 应满足下列要求：R2≤275×25／H，且最大不超过275℃／h。
在实际生产中，应视工件的几何尺寸、材质等具体情况，对加热和冷却速度做适当调整。我们一般将加热(或冷却)速度控制在50～80℃／h是比较合理的。
4.装炉和出炉温度
(1)工件由室温随炉升温到保温温度，或随炉降温至室温，这对去除残余应力自然最好。特别
是出炉温度，有学者认为保温后直接空冷，也有同行认为应缓冷到500℃以下出炉空冷。一般情况下，被加热工件入炉或出炉时的炉内温度不得>400℃。但对壁厚悬殊较大、结构复杂、尺寸稳定性要求较高和残余应力值要求较低的被加热工件，在装炉或出炉时的炉内温度一般≤300℃。一般采用260℃左右出炉。
(2)装炉的注意事项：
1、为防止在去除应力的过程中产生新的附加应力，我们要尽量减少工件部分的温差，工件各部分的温差越小，应力去除的越充分和均匀。因此，首先装炉量要合适，其次是工件需要置于热处理炉的有效加热区内。一般情况下，在加热和冷却过程中，被加热部分各处的最大温差不应>50℃
2、工件在出炉降至常温前，不得受雨水、雪水淋湿。
5、结语
综上所述，去应力退火窑根据工件的材料、结构复杂程度，壁厚差异太小，尺寸稳定性和对残余应力的要求等因素综合考虑，合理确定工艺参数和操作规范、在保证工件质量的前提下，尽可能采用较高的装炉和出炉温度、较高的保温温度，较短的保温时间、较快的加热或冷却速度，以利于降低生产成本，提高生产效率。
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