鋼和金屬的應力消除退火—溫度、製程和應用

應力消除退火 應力消除是一種熱處理工藝，用於降低材料在焊接、鑄造、鍛造、軋製、機械加工、矯直或其他工藝加工後產生的殘餘應力。適當的應力消除可以提高零件的尺寸穩定性，並降低在後續加工或使用過程中發生變形的風險。
此製程包括將材料加熱至低於其他熱處理方式所致根本結構變化溫度的溫度，並保持適當的加熱時間，然後進行可控冷卻。具體參數取決於材料類型、材料狀態、零件尺寸、先前的製造流程以及殘餘應力的水平和分佈。
應力消除退火適用於碳鋼和合金鋼，並且在適當的參數下，也適用於鑄鐵、鋁合金、銅、鈦和其他金屬材料。它對焊接結構、大型鍛造件和鑄件以及精密加工零件尤其重要，因為即使是微小的尺寸變化也會對運作性能產生影響。

什麼是應力消除退火？

即使沒有外力作用，材料中仍可能存在殘餘應力。殘餘應力主要產生於部件的不同區域發生不同的變形、以不同的速率加熱或冷卻，或發生不同的結構變化。
導致殘餘應力的典型過程包括：

• 鑄造過程中材料凝固不均勻，
• 焊接 以及由此產生的局部加熱和焊接收縮，
• 軋製、鍛造、沖壓、彎曲和矯直
• 拉伸和其他冷成型工藝，
• 機械加工，特別是材料去除量較大的機械加工
• 研磨和深度表面處理，
• 硬化和其他熱處理工藝,
• 橫斷面不同的元件受熱或冷卻不均勻。

在應力消除退火過程中，溫度升高會增加應力鬆弛的可能性。材料在特定溫度下保持一段時間，從而在不完全改變其微觀結構的情況下顯著降低應力。
但這並不意味著退火總是能完全消除應力。應力消除的程度取決於溫度、保溫時間、合金類型、材料狀態、以及先前的加工歷史等因素。

為什麼要進行應力消除退火？

此製程的主要目標是提高零件在後續生產和使用過程中的穩定性。殘餘應力會導致零件在銑削、車削、鑽孔或切割後發生形狀變化。在極端情況下，殘餘應力也會促進裂縫的形成。
應力消除退火製程的用途包括：

• 降低焊接後殘餘應力
• 限制後續加工過程中的變形
• 提升精密零件的尺寸穩定性，
• 減少鍛造、軋製或矯直過程中產生的應力
• 大型鑄件和鍛造件的穩定化處理
• 為後續製程工序準備半成品
• 降低成品形狀發生不受控制變化的風險。

應力消除退火 - 製程溫度

溫度是消除應力最重要的參數之一。沒有一個通用的溫度適用於所有材料。溫度範圍必須根據材料的具體牌號、微觀結構、交貨狀態以及所需的後處理性能來選擇。
以下數值僅供參考，不應取代針對特定類型材料、標準、技術文件或製造商建議所規定的參數。

在工業實務中，應力消除溫度必須與保溫時間結合考慮。提高溫度通常會加速應力鬆弛過程，但過高的溫度會導致材料微觀結構和性能發生不良變化。

退火過程中的浸泡時間

加熱時間取決於材料類型、製程溫度、零件尺寸、橫斷面厚度和批次重量。加熱時間測量的時機也至關重要——零件必須在所需的橫斷面區域內達到適當的溫度。
小型薄壁部件可能需要相對較短的加熱時間，而大型鍛件、鑄件或焊接結構則需要更長的時間才能達到溫度均衡和有效應力鬆弛。
因此，諸如“特定厚度部件熱處理一小時”之類的簡單規則僅應視為工藝指導原則。在關鍵部件的生產中，具體參數應根據相應的熱處理過程而定。

加熱元件

對於大型零件、複雜形狀以及橫斷面厚度變化較大的零件，可控加熱尤其重要。加熱過快會導致表面與核心之間出現顯著溫差，從而引入額外的熱應力。
零件尺寸越大、橫截面形狀越複雜，均勻的熱輸入就越重要。對於大型鍛造件、鑄件和焊接結構，加熱製程應納入已開發的製程技術中。

應力消除退火後的冷卻

冷卻控制與加熱和浸泡過程本身同樣重要。如果應力消除後的零件冷卻太快或冷卻不均勻，不同區域之間的溫差可能會導致應力重新產生。
根據零件的材料和尺寸，可採用爐內冷卻至特定溫度、可控爐內冷卻或在靜止空氣中進一步冷卻的方式進行冷卻。冷卻方法的選擇應同時考慮所需的應力降低程度和結構變化的可能性。

應力消除退火階段

1. 準備元素 – 確定材料類型、狀況、尺寸和應力原因。
2. 可控加熱 – 將元件加熱至所需溫度，同時限制過大的溫度梯度。
3. 溫度平衡 – 在元件所需的橫斷面區域內獲得適當的溫度。
4. 浸泡 – 將材料保持在給定的溫度下一段時間，從而實現適當的應力降低。
5. 可控冷卻 – 降低溫度，從而限制再次形成應力的可能性。

應力消除退火對材料特性的影響

正確進行的應力消除退火過程應主要降低殘餘應力，同時最大限度地減少對材料基本性能的影響。然而，這並不意味著材料的機械性能始終完全保持不變。

特瓦爾多什奇

對於許多鋼材而言，選擇合適的應力消除製程只會引起硬度的輕微變化。然而，該製程的效果取決於溫度和材料的初始狀態。對於冷淬或熱處理材料，溫度升高可能會導致部分硬化效果喪失或微觀結構改變。

屈服強度和抗拉強度

屈服強度和抗拉強度的變化取決於材料和製程參數。應力消除的目的並非要提高強度，而是主要降低殘餘應力。然而，過高的溫度或過長的加熱時間會影響材料的機械性能，尤其是在先前已硬化的材料中。

尺寸穩定性

應力消除最重要的實際效果之一是提高尺寸穩定性。這對於生產機器機架、模具、沖模、軸、板材、大型鍛造件和其他精密加工零件至關重要。
如果半成品中存在較大的殘餘應力，銑削或車削過程中移除材料會破壞應力平衡，導致加工零件彎曲或扭轉。在製程的適當階段進行應力消除可以減少這種現象。

焊後應力消除退火

焊接接頭是應力消除處理最重要的應用領域之一。焊接過程中，材料的一小部分區域會迅速加熱，而其餘部分則保持較低的溫度。隨後的冷卻和材料收縮會導致殘餘應力的產生。
對於合適的材料和應用，焊接後熱處理可以降低焊接應力並穩定結構。然而，此類製程的參數選擇不應僅基於大致的溫度範圍；還必須考慮材料等級、零件厚度、接頭類型以及相關標準和製程文件的要求。

加工後的應力消除退火

應力消除也可以在加工步驟之間進行。這在生產大型或精密零件時尤其有用，因為這些零件在粗加工過程中需要去除大量材料。
典型的加工流程可能包括粗加工、應力消除和精加工。這樣可以確保在達到最終表面和尺寸之前，應力重新分佈引起的任何變形都能發生。

應力消除退火的應用

焊接結構

該工藝可用於大型框架、車身、儲罐、機器結構和其他焊接部件，在這些部件中，尺寸穩定性和降低焊接後應力至關重要。

鍛造和鍛造零件

大型鍛造件可能存在由塑性變形和不均勻冷卻引起的應力。適當的熱處理是為後續加工做準備的步驟之一。

鑄件

鑄件在凝固和冷卻過程中會產生應力，尤其是在壁厚不均勻的零件中。消除應力是提高鑄件和其他大型零件尺寸穩定性的一種方法。

模具、沖模和工具

對於模具而言，尺寸穩定性直接影響製造零件的精確度。在加工步驟之間消除應力可以減少高強度銑削或其他機械操作後產生的變形。

能源和機械行業

如果某種材料的製程允許透過熱處理來降低應力，則該製程也可用於工業裝置零件、外殼、軸、管道和其他部件的生產和維修。

應力消除退火和其他類型的退火

應力消除退火不應與正火、軟化、再結晶、均質化或球化退火混淆。不同的退火過程在不同的溫度下進行，旨在達到不同的製程效果。
就緩解壓力而言，主要任務是 在盡可能減少材料結構和性能變化的前提下，降低殘餘應力然而，在其他退火過程中，改變微觀結構可能是處理的主要目標。
網站上對各個流程的比較有更詳細的介紹。 鋼材熱處理方法的比較.

應力消除退火的優點

• 降低殘餘應力
• 提高元件的尺寸穩定性，
• 限制後續加工過程中的變形
• 降低焊接、鍛造或鑄造後變形的風險
• 穩定大型複雜元素的能力
• 為精細加工準備半成品。

應力消除退火的局限性

• 溫度不當可能會改變材料的微觀結構或性能。
• 該過程並不總是能完全消除殘餘應力。
• 大型零件需要長時間且可控的加熱和冷卻循環，
• 適用於一種鋼材的參數未必適用於另一種鋼材。
• 在某些合金中，必須考慮溫度對耐腐蝕性、硬化狀態或先前熱處理的影響。

應力消除退火 是一種重要的熱處理工藝，用於降低焊接、鑄造、鍛造、軋製、矯直、機械加工和其他製造過程中產生的殘餘應力。合理選擇溫度、保溫時間和加熱冷卻方法，可以提高零件的尺寸穩定性，並降低後續變形的風險。
應力消除參數的選擇應始終基於材料的具體牌號和狀態。高合金鋼、經熱處理的鋼材和有色合金尤其需要謹慎，因為過高的溫度會導致材料性能發生超出製程主要目的的變化。

鋼的熱處理和熱化學處理方法

軟化只是用於改變鋼材微觀結構和性能的眾多工藝之一。根據所需效果，還可以採用正火、消除應力、淬火、回火以及滲碳、滲氮等熱化學處理製程。

鋼材熱處理方法

• 正火鋼 – 晶粒細化和微觀結構統一。
• 應力消除退火 – 降低殘餘應力。
• 鋼的軟化 – 降低硬度並提高對進一步加工的敏感度。
• 完全退火 – 奧氏體化和緩慢冷卻。
• 等溫退火 – 在適當選擇的溫度下進行轉換。
• 球形退火－球化 – 滲碳體或其他碳化物的形態會改變。
• 重結晶退火 – 消除壓碎的影響並恢復可塑性。
• 均質退火 減少分離並使材料成分均勻化。
• 硬化和熱處理 透過淬火和回火來塑造微觀結構和性能。
• 鋼的回火 – 硬化後對鋼材性能進行可控改質。
• 感應淬火 – 表面感應加熱和快速冷卻。
• 火焰硬化 – 局部火焰加熱後表面硬化。
• 過飽和 – 透過適當的熱循環獲得過飽和固溶體。
• 老化 – 可控相分離，進而實現材料強化。

鋼的熱化學處理方法

• 鋼的氮化 – 氮在表面層的擴散富集。
• 滲碳鋼 – 碳在表面的擴散富集。
• 碳氮共滲 – 表面層同時富集碳和氮。
• 滲氮/滲氮 – 此層主要富含氮和碳。
• 鑽孔 – 表面硼的擴散飽和。
• 擴散鍍鉻 – 鉻在層中擴散富集。
• 擴散鍍鋁 – 鋁層的擴散富集。