熱處理工藝對金屬材料抗疲勞性能影響分析

(惠州市技師學(xué)院，廣東 惠州 516000)

0 引言

金屬材料在原始的固態(tài)采用加熱的方法獲得預(yù)期組織形態(tài)的工藝即金屬材料的熱處理。這一工藝在石器時代就出現(xiàn)和應(yīng)用，在現(xiàn)代得到逐步發(fā)展與優(yōu)化。在機械制造過程中，最為重要和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)即為熱處理，熱處理能賦予或改善金屬材料具有的各項性能，在保持其形狀和化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，對其化學(xué)組成及內(nèi)部組織進行改變，提高其內(nèi)在質(zhì)量。人們?yōu)榱藢饘俨牧线M行改造，使其具備想要的各項性能，包括化學(xué)性能、力學(xué)性能與物理性能，通常會通過熱處理來加工。在機械工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金的實際應(yīng)用相對較多，它的顯微組織比其他類型的金屬材料復(fù)雜，所以需要通過熱處理來有效控制。本文以鋁合金為例，研究熱處理對金屬材料可能造成的影響。

1 影響因素

為確保淬火加熱順利完成，準(zhǔn)備充足的結(jié)晶核心，為同金屬材料做等溫處理，通過等溫處理，能得到碳化物，其顆粒呈球狀、彌散，原結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，獲得球化以后的物質(zhì)。晶粒處在較高的溫度條件下會明顯變粗，使金屬自身韌性與塑性均降低，并析出一定量的奧氏體。部分奧氏體還會在此過程中得到韌性加強，材料由于所剩晶界碳化物不斷變脆，導(dǎo)致材料自身抗疲勞性能受到影響。通過進一步探究，發(fā)現(xiàn)金屬材料自身熱疲勞性會受到回火的影響，在不同溫度條件下，材料具有不同的硬度。除此之外，增加奧氏體溫度，還會使基體當(dāng)中的碳化物不斷溶解，在淬火完成以后，奧氏體當(dāng)中含有的碳及合金元素大量增加，促使金屬材料自身強度顯著提高，產(chǎn)生二次硬化峰，同時抗回火軟化性也得到明顯的提高[1]。

當(dāng)然，采用不同工藝時，也會對金屬材料自身抗疲勞性能造成影響，包括硬度、在高溫條件下的強度及韌性，無論是化學(xué)成分，還是顯微組織，都會受到很大影響?；诖?，必須保證所選熱處理工藝科學(xué)性與合理性，減小材料不均勻性，避免產(chǎn)生過大的局部應(yīng)力，從而有效保證材料自身抗疲勞性，避免在熱處理以后導(dǎo)致抗疲勞性大幅降低。

2 影響機理

從金屬材料自身角度講，其熱疲勞性可以直接反映出它的抗疲勞性能。事實上，累積回火轉(zhuǎn)變即為熱疲勞發(fā)生實質(zhì)，而熱疲勞又以裂紋為主要表現(xiàn)，它會受到碳化物不斷聚集這一因素的影響。通過對碳化物聚集進行的建模和模型分析可知，碳化物均存在于冷、熱持續(xù)交替的環(huán)境當(dāng)中，在這種條件下必然會發(fā)生聚集，這是一種無法避免的趨勢。一個單獨的顆粒可能看起來很小，但在持續(xù)循環(huán)的過程當(dāng)中，顆粒將發(fā)生聚集，形成一個較大的顆粒，此時將形成整體碳化物，同時裂紋也會這一過程中形成，從微裂紋不斷發(fā)育為可見裂紋。另外，金屬材料當(dāng)中的夾雜物與少量的碳化物通常處在非共格的相互關(guān)系中，微裂紋將產(chǎn)生在這一顆粒當(dāng)中，當(dāng)其尺寸和顆粒相似時，在冷、熱持續(xù)交替的條件下，材料將受到一定程度的應(yīng)力，使四周分布極大的應(yīng)力，如果裂紋所在位置的應(yīng)力超出極限，將使裂紋失去平衡，發(fā)生擴展，最終導(dǎo)致熱疲勞性裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展[2]。

3 性能驗證與結(jié)果分析

試驗操作嚴(yán)格按照以下規(guī)程進行：①對操作場地進行認真清理，認真檢查電源與儀表，確認是否正常。②現(xiàn)場的操作人員必須按照要求穿戴好各類防護用品，以免在操作中發(fā)生意外造成人身傷害。③開啟轉(zhuǎn)換開關(guān)，以設(shè)備技術(shù)要求為依據(jù)進行分段的升溫和降溫，以此保持設(shè)備的完好性，延長其使用壽命。④充分注意熱處理爐實際溫度與網(wǎng)帶調(diào)速，掌握并確定不同材料需要達到的溫度標(biāo)準(zhǔn)，確保工件的硬度與表面平直程度，同時認真開展安全工作。⑤充分注意回火爐實際溫度與網(wǎng)帶調(diào)速，適時啟動排風(fēng)，確保工件完成回火后能夠滿足質(zhì)量要求。⑥整個工作過程中相關(guān)工作人員必須堅守崗位。⑦準(zhǔn)備好所有消防器具，同時熟練使用各種方法。⑧在停機以后，應(yīng)對所有控制開關(guān)進行檢查，確認其是否處在關(guān)閉的狀態(tài)，并將轉(zhuǎn)換開關(guān)及時關(guān)閉[3]。

采用不同的熱處理工藝對金屬材料進行熱處理，驗證金屬材料自身熱疲勞性受到的影響，2種試樣執(zhí)行600余次冷、熱交替后，其表面都開始出現(xiàn)大量細裂紋，而當(dāng)交替的次數(shù)達到1 200次以后，試樣表面開始出現(xiàn)較粗的裂紋。

當(dāng)交替次數(shù)為600次時，在680 ℃的溫度條件下，A的值為28.11%，W的值為0.045 mm，L的值為31.76 mm，D的值為4.56×10-4；在700 ℃的溫度條件下，A的值為18.57%，W的值為0.018 mm，L的值為28.82mm，D的值為1.33×10-4。當(dāng)交替次數(shù)為1 200次時，在680 ℃的溫度條件下，A的值為43.37%，W的值為0.081 mm，L的值為19.45 mm，D的值為21.36×10-4；在700 ℃的溫度條件下，A的值為37.85%，W的值為0.044 mm，L的值為23.65 mm，D的值為10.31×10-4。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，對于同一種類型的金屬材料，采用相同的熱處理工藝時，試樣表面裂縫面積與主裂紋的縫寬和冷、熱交替次數(shù)為正比關(guān)系，也就是當(dāng)冷、熱交替次數(shù)增加時，無論是裂縫的面積還是主裂紋的縫寬均明顯在增大；同時，裂紋的總長和冷、熱交替次數(shù)為反比關(guān)系，也就是當(dāng)冷、熱交替次數(shù)增加時，損傷因子不斷減少[4]。

通過以上研究，所有試樣在冷、熱交替次數(shù)達到600次以后都會產(chǎn)生不同程度的裂紋，之后雖然也會出現(xiàn)新裂紋，但現(xiàn)有裂紋發(fā)生擴展將成為主導(dǎo)。一些裂紋由于冷、熱交替過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，會使裂紋進一步加寬和加深，這些裂紋由此會變?yōu)橹髁鸭y，其他相對來說比較細小的裂紋會因為應(yīng)力被釋放掉而不再擴展，伴隨冷、熱交替次數(shù)的不斷增加，持續(xù)發(fā)生氧化剝落，而在進行拋光與酸洗之后，將會消失，因此得出了當(dāng)冷、熱交替次數(shù)為1 200次時試樣裂紋總長反倒少于交替次數(shù)為600次的結(jié)論[5]。對于鋁合金材料，采用熱處理工藝后，其強度得到明顯提高，材料自身熱疲勞性也能得到一定程度的改善[6]。

4 結(jié)語

本文以鋁合金為主要研究對象，對熱處理工藝對其可能造成的影響進行分析探究，雖然可以得出較準(zhǔn)確的結(jié)果，但它并不能代表所有金屬材料，即不同金屬材料在抵抗熱處理可能造成的負面影響方面具有不同能力，需要開展具體的分析或試驗來確定。但可以認定的是，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，能起到良好的性能改善作用?/p>