淺談金屬材料與熱處理工藝的關(guān)系

摘 要：本文以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)客觀分析金屬材料的組織性能等與熱處理工藝中預(yù)熱、溫度、以及應(yīng)力之間的關(guān)系。

關(guān)鍵字：金屬材料；熱處理；關(guān)系

工業(yè)生產(chǎn)中許多金屬材料為最大限度地發(fā)揮材料潛力需要提高其機械性能。在設(shè)計工作中正確制定熱處理工藝可以改變某些金屬材料的機械性能。而不合理的熱處理條件不僅不會提高材料的機械性能反而會破壞材料原有的性能。因此設(shè)計人員在根據(jù)金屬材料成分及組織確定熱處理的工藝要求時應(yīng)準(zhǔn)確分析金屬材料與熱處理工藝的關(guān)系合理安排工藝流程才能得到理想的效果。

在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的金屬有鐵、鋁、銅、鉛、鋅、鎳、鉻、錳等。但用得更多的是它們的合金。金屬和合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含兩個方面其一是金屬原子之間的結(jié)合方式其二是原子在空間的排列方式。金屬的性能和原子在空間的排列配置情況有密切的關(guān)系原子排列方式不同金屬的性能就出現(xiàn)差異。金屬材料熱處理過程是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度并在此溫度中保持一定時間后又以不同速度在不同的介質(zhì)中冷卻通過改變金屬材料表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)來改變其性能的一種工藝。因此對某些金屬或合金來說可以用熱處理工藝來改變它的原子排列進而改變其組織結(jié)構(gòu)控制其機械性能以滿足工程技術(shù)的需要。不同的熱處理條件會產(chǎn)生不同的材料性能改變效果下面就金屬的材料的某些性能來分析其與熱處理工藝的關(guān)系以便更好的提高材料的機械性能。

金屬材料加工的整個工藝流程中如果切削加工工藝與熱處理工藝之間能相互溝通密切配合對提高產(chǎn)品質(zhì)量將有很大好處。在金屬切削過程中由于被加工材料、切削刀具和切削條件的不同金屬的變形程度也不同從而產(chǎn)生不同程度的光潔度。預(yù)先熱處理主要是應(yīng)用于各類鑄、鍛、焊工件的毛坯或半成品消除冶金及熱加工過程產(chǎn)生的缺陷并為以后切削加工及熱處理準(zhǔn)備良好的組織狀態(tài)。從而保證材料的切削性能、加工精度和減少變形。提高零件的切削性能。各種材料最佳切削性能都對應(yīng)有一定的硬度范圍和金相組織。齒坯材料在切削加工中當(dāng)齒柸硬度偏低時會產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象在前傾面上形成積屑瘤使被加工零件的表面光潔度降低。而對齒坯材料進行正火不完全淬火處理切屑容易碎裂形成粘刀的傾向性減少。并隨著齒坯硬度的提高切屑從帶狀向擠裂多渡減少了粘刀現(xiàn)象提高了切削性能。經(jīng)固溶處理時效強化后的鋁合金比鑄態(tài)或壓力加工狀態(tài)的切削性能好。所以鋁合通常都是先經(jīng)強化處理（固溶處理時效處理）再切削加工。晶粒細小、均勻的組織不僅改善了切削性能提高了機械加工精度而且為最終熱處理（淬火十回火）保證獲得良好的組織和陛能做好準(zhǔn)備。

切變模量是材料的力學(xué)性能指標(biāo)之一是材料在剪切應(yīng)力作用在彈性變形比例極限范圍內(nèi)切應(yīng)力與切應(yīng)變的比值。它表征材料抵抗切應(yīng)變的能力模量大則表示材料的剛性強。通過熱處理可以改變材料的性能同時材料本身的物理性質(zhì)也發(fā)生改變切邊模量應(yīng)該也隨之變化從而導(dǎo)致了彈簧的實際伸長量與設(shè)計計算的伸長量存在著一定的誤差。筆者結(jié)合相關(guān)實驗分析了熱處理與金屬材料切邊模量變化的關(guān)系。工業(yè)生產(chǎn)中在選用彈簧鋼進行彈簧設(shè)計計算時要用到材料的切模量和彈簧模量。如果按傳統(tǒng)設(shè)計資料中給出的切邊模量取值那么通常計算的彈簧變形量和實際測得的彈簧變形量有較大的誤差。這是因為加工后的成品彈簧特別是熱繞成形的彈簧都需經(jīng)過熱處理。而由于材料彈性模量的大小是由原子間的結(jié)合力決定的所以凡是影響原子間結(jié)合力的因素都會影響彈性模量的大小。合金成分和組織、溫度、形變強化都會對原子間的結(jié)合力產(chǎn)生影響所以經(jīng)過熱處理后材料溫度發(fā)生了變化即材料彈性模量發(fā)生變化。彈性模量的變化使彈簧的特性線早在設(shè)計時就已產(chǎn)生了先天性的的誤差。因此筆者認為在對特性線要求較高的彈簧進行設(shè)計計算時不應(yīng)按照傳統(tǒng)資料的給定值進行設(shè)計應(yīng)根據(jù)彈簧的服役條件如工作溫度、載荷等等確定。只要在相應(yīng)的回火溫度和硬度要求范圍內(nèi)選取切變模量即可。而對于特性線要求不高的螺旋彈簧來說可以不考慮彈簧經(jīng)過熱處理后的切變模量的變化。

斷裂力學(xué)的出發(fā)點是任何材料實際都含有不同數(shù)量、不同尺寸的裂紋。斷裂韌性實際可以理解為含有裂紋的材料在外力作用下抵抗裂紋擴展的性能。提高金屬斷裂韌性的關(guān)鍵是要減少金屬晶體中位錯使金屬材料中的位錯密度下降從而提高金屬強度。細晶強化是減少金屬晶體中位錯的一種重要方法其原理是通過細化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移從而提高材料強韌性。而金屬組織的細化則主要通過熱處理后再結(jié)晶獲得。當(dāng)冷變形金屬加熱到足夠高的溫度以后會在變形最劇烈的區(qū)域產(chǎn)生新的等軸晶粒來代替原來的變形晶粒這個過程稱為再結(jié)晶。只有在一定的應(yīng)力和變形溫度的條件下材料在變形過程中才會積累到足夠高的局部位錯密度級別導(dǎo)致發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。因此不同溫度對金屬的再結(jié)晶效果好壞有明顯的關(guān)系?？梢酝ㄟ^以下實驗證明在SY鋼坯料上線切割適當(dāng)?shù)男A柱機加工后選擇在700℃，800℃，900℃、1000℃和1100℃在Cleeble-1500型熱模擬試驗機上以5×10-1的變形速率保溫30s壓縮變形50然后在空氣中冷至室溫再進行680℃×6hAC（空冷）的退火處理再將壓縮后的試樣沿軸向線切割剖開研磨拋光后用化學(xué)物質(zhì)顯示晶粒形貌。實驗現(xiàn)象為在700℃時扁平的晶粒開始逐漸向等軸晶粒的形狀變化。800℃變形的晶粒中等軸晶粒已經(jīng)有少量出現(xiàn)但仍然以變形拉長的晶粒為主。在900℃變形開始晶粒突然變得細小幾乎全部為等軸晶粒晶粒度達到Y(jié)Bl2級。在900℃以上晶粒開始長大。因此900℃左右溫度是鋼的宏觀性能變化最為劇烈的階段。再結(jié)晶晶核的形成與長大都需要原子的擴散因此必須將變形金屬加熱到一定溫度之上足以激活原子使其能進行遷移時再結(jié)晶過程才能進行。那么我們就可以得出控制熱處理的溫度可以提高金屬材料的斷裂韌性。

金屬材料在拉伸應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的脆性斷裂破壞稱為應(yīng)力腐蝕開裂。大部分引起應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力是由殘余拉應(yīng)力引起的。殘余應(yīng)力是金屬在焊接過程中產(chǎn)生的。金屬在加熱時以及加熱后冷卻處理時改變了材料內(nèi)部的組織和性能同時伴隨產(chǎn)生了金屬熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。這種應(yīng)力對材料的影響有利也有弊下面主要對金屬熱處理中的殘余應(yīng)力與形成裂紋間的關(guān)系進行分析。金屬材料在加熱和冷卻過程中表層和心部的加熱及冷卻速度（或時間）不一致由于溫導(dǎo)致材料體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下由于冷卻時金屬表層溫度低于心部收縮表面大于心部而使心部受拉應(yīng)力另一方面材料在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時因比容的增大會伴隨材料體積的膨脹材料各部位先后相變造成體積長大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力心部受壓應(yīng)力恰好與拉應(yīng)力相反。金屬熱處理的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力疊加的結(jié)果就是材料中的殘余應(yīng)力。金屬熱處理中淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。通過相關(guān)實驗我們可以得出：1）淬火冷卻速度加快抑制縱裂效果增大。為了達到淬火的目的通常必須加速材料在高溫段內(nèi)的冷卻速度并使之超過材料的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應(yīng)力而論這樣做由于能增加抵消組織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力值故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達到抑制縱裂的目的。2）冷卻后期緩冷的。主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應(yīng)力值而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度從而達到減小應(yīng)力值和最終抑制淬裂的目的。

金屬材料的性能與熱處理工藝的制定在機械零件制造中占有十分重要的地位。在生產(chǎn)實際使用中應(yīng)準(zhǔn)確把握二者之間的關(guān)系有效地提高金屬零件的制造水平。

參考文獻

[1]王斌武，周曉艷，淺談金屬零件的設(shè)計、切削加工及熱處理的關(guān)系，桂林航天工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報，2006（4）。

作者簡介

王藝璇，鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，金屬材料專業(yè)。